ConcurrentHashMap源码详解

ConcurrentHashMap源码详解

我们知道，HashMap在jdk1.7到1.8中，由数组+链表的结构转为数组+链表+红黑树，这是因为在某个节点的链表长度大于8且数组长度大于64时，把链表转化为红黑树的结构，可以实现优化查询。但是HashMap是线程不安全的，无法满足多线程的场景，所以就延伸出了ConcurrentHashMap，它在兼顾性能的同时，也满足了多线程的场景需要。那ConcurrentHashMap是如何实现的呢，我们看看它的源码是如何进行数据 *** 作的。

当我们往ConcurrentHashMap类型的map里put一个键值对时，会发生以下步骤：
a.首先会对传入的key和value进行非空判断，如果为null则返回空指针异常；
b.拿到当前数组table，判断是否为空或者长度为0，如果是的话就对数组进行初始化；
c.如果数组中hash对应的位置为null，则用casTabAt()方法放入键值对到这个位置；这里运用了CAS，我们接下来会详细阐述它；
d.如果数组中存在元素，用synchronized块保证同步 *** 作，循环判断链表中是否存在该value，存在则返回oldValue，不存在则插入链表末端，put成功跳出循环；
e.如果是红黑树，则将元素放入红黑树节点中；
f.put完成后根据链表长度是否大于8且数组长度是否大于64来判断是否将链表转换成红黑树；
g.返回oldValue值；

public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }

    
    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[] tab = table;;) {
            Node f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            for (Node e = f;; ++binCount) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    oldVal = e.val;
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            Node p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin)f).putTreeval(hash, key,
                                                           value)) != null) {
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                }
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

至此，一个键值对就成功put到该map中，刚才我们说到CAS，CAS（Compare And Swap 比较并且替换）是乐观锁的一种实现方式，是一种轻量级锁。它的原理是：当线程在读取数据时不进行加锁，在准备写回数据时，先去查询原值， *** 作的时候比较原值是否修改，若未被其他线程修改则写回，若已被修改，则重新执行读取流程。要是结果一直就一直循环了，CPU开销是个问题，还有ABA问题。ABA问题可以看下图场景：

图解：
（1）线程1读取了数据A；
（2）线程2读取了数据A；
（3）线程2通过CAS比较，发现值是A没错，可以把数据A改成数据B；
（4）线程3读取了数据B；
（5）线程3通过CAS比较，发现数据是B没错，可以把数据B改成了数据A；
（6）线程1通过CAS比较，发现数据还是A没变，就写成了自己要改的值。
要解决这个问题，我们可以通过添加版本号，或者设置一个时间戳，在线程对值进行修改时先比较版本号或者时间戳的值。

接下来我们讲get()方法，
a.判断数组是否为空，为空直接返回null；
b.根据hash值查找，如果hash值相等且key也相等，则直接返回value值；
c.如果key的hash值小于0，说明是红黑树，则进入红黑树查找到该节点值；
d.否则进入循环链表读取该value值并返回。

public V get(Object key) {
        Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek;
        int h = spread(key.hashCode());
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            if ((eh = e.hash) == h) {
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    return e.val;
            }
            else if (eh < 0)
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) {
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

jdk1.7升级到1.8，ConcurrentHashMap的变化：
锁方面：jdk1.7用的是锁分段技术，jdk1.8开始由分段锁（Segment继承自ReentrantLock）升级为CAS+synchronized实现；
数据结构层面：将Segment变为了Node，每个Node独立，原来默认的并发度16，变成了每个Node都独立，提高了并发度；
hash冲突：1.7中发生hash冲突采用链表存储，1.8中先使用链表存储，后面满足条件后会转换为红黑树来优化查询；
查询复杂度：1.7中链表查询复杂度为O(N)，1.8中红黑树优化为O(logN))；