本文基于JDK1.8源码。

简述

1. ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap实现，底层通过一个table（Node[]数组）维护hash槽。table的size会被强制设定为2的幂，负载因子默认为0.75，通过sizeCtl记录当前负载因子下扩容阈值。
2. hash槽的计算通过hash值的高16位与低16位做^运算后，再和table的size做&运算计算而得。
3. ConcurrentHashMap通过Unsafe+CAS+Sychronized+Node实现线程安全，在真正转移的时候都会使用sychronized进行加锁。

那些你不得不知道的节点

节点总览

Node

ForwordingNode、TreeBin、TreeNode的父类，核心的字段就是hash值、key、value和用于在链表中指向下一个节点的next。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }
  ...
}

ForwordingNode

hash值为-1，代表当前的table正在进行复制迁移，同时标识当前槽位的节点已经完成迁移工作。ConcurrentHashMap充分发挥每个线程的作用，当T1线程正在迁移时，其它线程如T2不一定自旋等待，根据当前迁移工作分配情况，可能会协助进行复制迁移（具体由CPU数量、table大小、迁移进度等决定）。

可以发现ForwardingNode的构造函数中调用父类的构造函数，有效参数只有hash值为MOVED(-1)，同时用nextTable指向扩容后的数组。

static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
    final Node<K,V>[] nextTable;
    // 构造函数调用 
    ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
        super(MOVED, null, null, null);
        this.nextTable = tab;
    }
  ...
}

TreeBin

hash值为-2，保存指向红黑树根节点的句柄root。同时保存原有链表的第一个元素first。

当一个槽位上的Node是TreeBin，这便代表着这个槽位长度已经超过8，并且将链表初始化为红黑树。

// 这里的入参为TreeBin的first变量
static <K,V> Node<K,V> untreeify(Node<K,V> b) {
    Node<K,V> hd = null, tl = null;
    for (Node<K,V> q = b; q != null; q = q.next) {
        Node<K,V> p = new Node<K,V>(q.hash, q.key, q.val, null);
        if (tl == null)
            hd = p;
        else
            tl.next = p;
        tl = p;
    }
    return hd;
}

TreeNode

红黑树节点。在链表转化为红黑树后，由于TreeNode继承Node，所以依然保留了树化之前的链表关系，以便当节点数小于8时，重新转换为链表。

除了继承Node的属性外，另有代表红黑树特性的属性：parent指向父节点、left指向左节点、right指向右节点、布尔值red代表当前节点是红色还是黑色（根节点和叶子节点都是黑色）。

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;

    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next,
             TreeNode<K,V> parent) {
        super(hash, key, val, next);
        this.parent = parent;
    }
}

如何计算hash槽位

// 计算hash值 h为hashCode 
// HASH_BITS值为(1<<31)-1 = Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff
// (高16位^低16位) & HASH_BITS
static final int spread(int h) {
    return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
   ...
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
                    // hash值和table的size-1 做&运算计算得到hash槽位的index
                    else if (f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
          ...
        }
   ...
 }

扩容还是转树

在ConcurretnHashMap中当一个槽位的元素数到达8后，会判断当前table的长度是否小于64，如果长度小于64会优先进行数组扩容。

初始化数组initTable

ConcurrentHashMap的数组为懒加载，在调用放置元素之前不会初始化table。当sizeCtl为-1，表示有线程正在初始化table。

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    // 确认table还未初始化
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
       // 如果sizeCtl<0, 表示当前线程在初始化竞争中失败，自旋等待（yield会放弃CPU时间片）
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
          //SIZECTL：表示当前对象的内存偏移量，sc表示期望值，-1表示要替换的值，设定为-1表示要初始化表了
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                   // 这里sc赋值为3/4的数组长度
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

put(K key, V value, boolean onlyIfAbsent)

注意扩容包括，数组扩容和对应位置的树化。根据源码可以发现在添加元素的时候有大致四种情况：

1. 数组尚未初始化，需要先初始化。可能同时存在一个线程也在put，这时候，两个线程会竞争下初始化数组的权利，失败的yield()自旋等待。
2. 数组已经初始化，对应hash槽没有元素，通过CAS操作添加节点。值得注意的是，往空槽加元素的时候不会加锁。
3. 数组正在扩容复制数据，当前线程会帮忙复制数据，帮忙前会判断nextTab是否已经初始化。
4. 数组已经初始化完成，没有在扩容复制数据，对应hash槽非空。很好，又有两种情况，hash槽对应的仍然是链表，或者已经树化。
   1. 仍然是链表：遍历链表，替换旧值（非putIfAbsent）。没有旧值，就把元素放到最后。同时更新binCount，后续判断是否需要树化。
   2. 已经树化：设置binCount=2，避免无效树化。调用putTreeVal()获取待更新节点。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 计算hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 构造函数中不会初始化table，在初次使用时进行初始化数组
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // 数组已经初始化，并且对应位置无元素，直接放进去
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 上个判断中获得了目标位置的节点，如果hash值为MOVED，
        // 代表当前正在进行扩容的数据复制阶段，当前线程也会参与，
        // 允许多线程复制的功能,来减少数组的复制所带来的性能损失
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // fh>0 还是链表 转为树的时候是-2
                    if (fh >= 0) {
                        // 对应位置节点不为null，
                        binCount = 1;
                        // 开始遍历链表，直到找到对应
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                // 根据hash值找到对应的key位置，如果不是putIfAbsent就进行value替换
                                // 记下oldValue用于返回
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            // 没找到原有值，且已经到队列尾巴，直接加到末尾
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 当前hash槽对应的是树
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        // 这里设置为2，确保后面不会树化？
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            // 因为是put方法，所以对应hash槽的元素会+1或不变，必不可能减少
            // 只需要考虑是否要树化
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // size加1，里面很复杂。。
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

决定是扩容还是树化treeifyBin()

决定树化会加锁。

private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
    Node<K,V> b; int n, sc;
    if (tab != null) {
        // 判断数组长度是否小于64 ，小于64就扩容数组
        if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            tryPresize(n << 1);
       // 数组已经达到MIN_TREEIFY_CAPACITY，决定树化
        else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
            // 对数组对应索引的根节点加锁
            synchronized (b) {
                // 确保当前节点仍然是第一个节点
                if (tabAt(tab, index) == b) {
                    // 这里拷贝了一份链表，并把节点换成TreeNode（left,right未初始化）
                    // 真正初始化操作在setTabAt
                    TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
                    for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
                        TreeNode<K,V> p =
                            new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val,
                                              null, null);
                        if ((p.prev = tl) == null)
                            hd = p;
                        else
                            tl.next = p;
                        tl = p;
                    }
                    // 树化操作，赋值left right
                    setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
                }
            }
        }
    }
}

putTreeNode

final TreeNode<K,V> putTreeVal(int h, K k, V v) {
    Class<?> kc = null;
    boolean searched = false;
    for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
        int dir, ph; K pk;
        if (p == null) {
            // 对应位置没有节点，直接放
            first = root = new TreeNode<K,V>(h, k, v, null, null);
            break;
        }
        else if ((ph = p.hash) > h)
            // hash值比当前节点小 之后找left节点
            dir = -1;
        else if (ph < h)
            // hash值比当前节点大 之后找right节点
            dir = 1;
        // 到这里代表hash值相等，到达目标位，返回当前值
        else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
            return p;
        else if ((kc == null &&
                  (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
            if (!searched) {
                TreeNode<K,V> q, ch;
                searched = true;
                if (((ch = p.left) != null &&
                     (q = ch.findTreeNode(h, k, kc)) != null) ||
                    ((ch = p.right) != null &&
                     (q = ch.findTreeNode(h, k, kc)) != null))
                    return q;
            }
            dir = tieBreakOrder(k, pk);
        }

        TreeNode<K,V> xp = p;
        if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
            TreeNode<K,V> x, f = first;
            first = x = new TreeNode<K,V>(h, k, v, f, xp);
            if (f != null)
                f.prev = x;
            if (dir <= 0)
                xp.left = x;
            else
                xp.right = x;
            if (!xp.red)
                x.red = true;
            else {
                lockRoot();
                try {
                    root = balanceInsertion(root, x);
                } finally {
                    unlockRoot();
                }
            }
            break;
        }
    }
    assert checkInvariants(root);
    return null;
}

tryPresize()扩容数组

private final void tryPresize(int size) {
    int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
        tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);
    int sc;
    while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
        Node<K,V>[] tab = table; int n;
        // 整个table尚未初始化，在putAll方法中，直接会调用tryPresize，
        // 所以在这里需要判断tab是否已经初始化
        // 初始化后，把sizeCtl设置为0.75的数组长度
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
            n = (sc > c) ? sc : c;
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if (table == tab) {
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = nt;
                        // 这里设置sizeCtl为0.75的size
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                  // 更新sizeCtl
                    sizeCtl = sc;
                }
            }
        }
        // 什么情况会到这里？已经初始化过table，并且新增的元素数量并没有超过0.75数组长度
        else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
            break; // 此时c已经过时，或者c已经超过最大值，无法再resize
        else if (tab == table) {
            int rs = resizeStamp(n);
          /*
           * 如果正在扩容Table的话，则帮助扩容，支路①
           * 否则的话，在支路②开始新的扩容
           * 在transfer操作，将第一个参数的table中的元素，移动到第二个元素的table中去，
           * 虽然此时第二个参数设置的是null，但是，在transfer方法中，当第二个参数为null的时候，
           * 会创建一个两倍大小的table
           */
            // ①
            if (sc < 0) {
                Node<K,V>[] nt;
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
          // ②
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                         (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
        }
    }
}

扩容的核心方法transfer()

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
    int n = tab.length, stride;
    if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE) 
        // 这里对stride有最小值限制，避免占用太多CPU资源
        stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 如果传入的nextTab是null（tryPresize中存在这种情况）
            // nextTab初始化为原tab长度的2倍
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        transferIndex = n;
    }
    int nextn = nextTab.length;
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    boolean advance = true;
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            else if (U.compareAndSwapInt
                     (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                      nextBound = (nextIndex > stride ?
                                   nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;
                i = nextIndex - 1;
                advance = false;
            }
        }
        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
            int sc;
            if (finishing) {
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            advance = true; // already processed
        else {
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;
                    if (fh >= 0) {
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        }
                        else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }
                        for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                            if ((ph & n) == 0)
                                ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                            else
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            }
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}