关于java:ConcurrentHashMap是如何实现的

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家喻户晓 ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多线程版本，HashMap 在并发操作时会有各种问题，比方死循环问题、数据笼罩等问题。而这些问题，只有应用 ConcurrentHashMap 就能够完满解决了，那问题来了，ConcurrentHashMap 是如何保障线程平安的？它的底层又是如何实现的？

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 时，应用的是分段锁也就是 Segment 来实现线程平安的。

然而它在 JDK 1.8 之后，应用的是 CAS + synchronized 或 CAS + volatile 来实现线程平安的。

ConcurrentHashMap 在不同的 JDK 版本中实现是不同的， 在 JDK 1.7 中它应用的是数组加链表的模式实现的，而数组又分为：大数组 Segment 和小数组 HashEntry。 大数组 Segment 能够了解为 MySQL 中的数据库，而每个数据库（Segment）中又有很多张表 HashEntry，每个 HashEntry 中又有多条数据，这些数据是用链表连贯的，如下图所示：

理解了 ConcurrentHashMap 的底层实现，再看它的线程平安实现就比较简单了。

接下来，咱们通过增加元素 put 办法，来看 JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 是如何保障线程平安的，具体实现源码如下：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 在往该 Segment 写入前，先确保获取到锁
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); 
    V oldValue;
    try {
        // Segment 外部数组
        HashEntry<K,V>[] tab = table;
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K,V> e = first;;) {if (e != null) {
                K k;
                // 更新已有值...
            }
            else {
                // 搁置 HashEntry 到特定地位，如果超过阈值则进行 rehash
                // 疏忽其余代码...
            }
        }
    } finally {
        // 开释锁
        unlock();}
    return oldValue;
}

从上述源码咱们能够看出，Segment 自身是基于 ReentrantLock 实现的加锁和开释锁的操作，这样就能保障多个线程同时拜访 ConcurrentHashMap 时，同一时间只有一个线程能操作相应的节点，这样就保障了 ConcurrentHashMap 的线程平安了。

也就是说 ConcurrentHashMap 的线程平安是建设在 Segment 加锁的根底上的，所以咱们把它称之为分段锁或片段锁，如下图所示：

在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 尽管是线程平安的，但因为它的底层实现是数组 + 链表的模式，所以在数据比拟多的状况下拜访是很慢的，因为要遍历整个链表，而 JDK 1.8 则应用了数组 + 链表 / 红黑树的形式优化了 ConcurrentHashMap 的实现，具体实现构造如下：

链表降级为红黑树的规定：当链表长度大于 8，并且数组的长度大于 64 时，链表就会降级为红黑树的构造。

PS：ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 尽管保留了 Segment 的定义，但这仅仅是为了保障序列化时的兼容性，不再有任何构造上的用途了。

在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 应用的是 CAS + volatile 或 synchronized 的形式来保障线程平安的，它的外围实现源码如下：

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; K fk; V fv;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 节点为空
            // 利用 CAS 去进行无锁线程平安操作，如果 bin 是空的
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                break; 
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else if (onlyIfAbsent
                 && fh == hash
                 && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
                 && (fv = f.val) != null)
            return fv;
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {// 细粒度的同步批改操作...}
            }
            // 如果超过阈值，降级为红黑树
            if (binCount != 0) {if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

从上述源码能够看出，在 JDK 1.8 中，增加元素时首先会判断容器是否为空，如果为空则应用 volatile 加 CAS 来初始化。如果容器不为空则依据存储的元素计算该地位是否为空，如果为空则利用 CAS 设置该节点；如果不为空则应用 synchronize 加锁，遍历桶中的数据，替换或新增节点到桶中，最初再判断是否须要转为红黑树，这样就能保障并发拜访时的线程平安了。

咱们把上述流程简化一下，咱们能够简略的认为在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 是在头节点加锁来保障线程平安的，锁的粒度相比 Segment 来说更小了，发生冲突和加锁的频率升高了，并发操作的性能就进步了。而且 JDK 1.8 应用的是红黑树优化了之前的固定链表，那么当数据量比拟大的时候，查问性能也失去了很大的晋升，从之前的 O(n) 优化到了 O(logn) 的工夫复杂度，具体加锁示意图如下：

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 时应用的是数据加链表的模式实现的，其中数组分为两类：大数组 Segment 和小数组 HashEntry，而加锁是通过给 Segment 增加 ReentrantLock 锁来实现线程平安的。而 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 应用的是数组 + 链表 / 红黑树的形式实现的，它是通过 CAS 或 synchronized 来实现线程平安的，并且它的锁粒度更小，查问性能也更高。