在这篇文章中来看看线程安全的ConcurrentHashMap。
讲到Map结构，我想应该都会知道HashTable和HashMap，但是这两者有什么区别呢？HashTable是线程安全的Map数据结构，因为它内部的操作方法都是通过synchronized关键字进行修饰的，确保了并发情况下不会对元素操作存在冲突。而HashMap是非线程安全的，在并发读取的情况下存在死循环的问题，这在另一篇文章《HashMap死循环问题》中已经对这个问题进行了简单的说明。
那么这里为什么要说ConcurrentHashMap呢？直接用HashTable和HashMap不就可以了吗？
答案是：HashTable的线程安全是重型的，是通过关键字synchronized和虚拟机来实现的，高并发情况下性能上存在一定问题。而HashMap又存在线程安全问题，因此在JDK中提供了另一种优化的线程安全的Map结构，那就是ConcurrentHashMap，既可以达到线程安全的目的，又没有使用synchronized来实现并发控制，而是使用在代码层面加锁进行控制，弱化了加锁的粒度，增强了并发下的性能。
下面以JDK1.7中ConcurrentHashMap实现来进行说明。之所以指明JDK版本，是因为不同版本下该类的实现略有不同。
ConcurrentHashMap实现原理
JDK1.7中的实现
我们知道HashTable中是对整个table进行加锁的，这在数据量比较多的情况下很明显是不合适的，因为在对一个数据进行操作的过程中直接影响其他元素的处理。因此在ConcurrentHashMap中采用了一种称为锁分段的技术，即table中不同段的数据采用不同的锁进行控制，相互之间没有影响，减小了锁控制的范围，从而增强了并发下的读写性能。
在JDK1.7中，ConcurrentHashMap的数据结构是由一个Segment数组和多个HashEntry组成，如下图所示：
Segment数组的意义就是将一个大的table分割成多个小的table来进行加锁，也就是上面的提到的锁分离技术，而每一个Segment元素存储的是HashEntry数组+链表，这个和HashMap的数据存储结构一样。
初始化过程
ConcurrentHashMap的初始化代码如下所示，通过位运算来初始化segment数组的大小ssize，因此ssize一定是2的N次方；另外concurrencyLevel最大只能是16，即segment数组的大小最大只能是63336。对于每个segment下的HashEntry数组，每个数组的大小也是2的N次方。
/**
* Creates a new, empty map with the specified initial
* capacity, load factor and concurrency level.
*
* @param initialCapacity the initial capacity. The implementation
* performs internal sizing to accommodate this many elements.
* @param loadFactor the load factor threshold, used to control resizing.
* Resizing may be performed when the average number of elements per
* bin exceeds this threshold.
* @param concurrencyLevel the estimated number of concurrently
* updating threads. The implementation performs internal sizing
* to try to accommodate this many threads.
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is
* negative or the load factor or concurrencyLevel are
* nonpositive.
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
Segment<K,V> s0 =
new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
this.segments = ss;
}
从源代码中可以看到，在初始化过程中需要注意的是并不是在ConcurrentHashMap创建的时候就把所有的segment进行了初始化，这里只初始化了一个segment，那就是s0变量，而后在对这个容器操作过程中根据需要动态创建其他的segment。
put操作
对于数据插入，需要进行两次hash操作来定位元素的最终插入位置，一次是定位segment，一次是定位在此segment下相应的HashEntry数组元素索引位置。
/**
* Maps the specified key to the specified value in this table.
* Neither the key nor the value can be null.
*
* <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
* with a key that is equal to the original key.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
* @throws NullPointerException if the specified key or value is null
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}
如上代码所示，首先根据key的hash值来判断其应该插入的segment元素在segments数组的下标位置j，如果segments[j]元素还没有，那么调用ensureSegment(j)来初始化这个segment元素。之后调用segment的put方法来完成在segment的HashEntry数组中插入该元素key。
Segment类中的put操作逻辑如下：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
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;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
e = e.next;
}
else {
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
从代码可以看出，整个操作过程中都是在锁的保护下进行的。先通过第一次计算的hash值和HashEntry数组的长度进行与运算得到该元素在HashEntry数组中的索引下表，紧接着从该索引位置取其对应的链表元素。如果没有元素就初始化一个链表，如果有则从链表头结点开始遍历判断是否插入元素是已有的元素，如果是，则直接跳出返回旧元素。
get操作
ConcurrentHashMap的get操作跟HashMap类似，只是ConcurrentHashMap第一次需要经过一次hash定位到Segment的位置，然后再hash定位到指定的HashEntry，遍历该HashEntry下的链表进行对比，成功就返回，不成功就返回null。
源码如下：
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code key.equals(k)},
* then this method returns {@code v}; otherwise it returns
* {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* @throws NullPointerException if the specified key is null
*/
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
return e.value;
}
}
return null;
}
从源码看，它先通过hash(key)找到segments数组中相应的segment索引下标h，然后判断该segments中是否有元素，如果没有直接返回null；如果有获取相应的HashEntry数组，并且通过再一次的hash计算得到相应的元素在HashEntry数组中的索引下标，并取出相应的元素列表，之后遍历这个列表中的元素，跟请求参数中的key进行对比，找到合适的元素返回或者因遍历整个链表而找不到最终返回null。
size操作
计算ConcurrentHashMap的元素大小是一个有趣的问题，因为他是并发操作的，就是在你计算size的时候，他还在并发的插入数据，可能会导致你计算出来的size和你实际的size有相差（在你return size的时候，插入了多个数据），我们来看看JDK1.7中是如何解决这个问题的。
public int size() {
// Try a few times to get accurate count. On failure due to
// continuous async changes in table, resort to locking.
final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
int size;
boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
long sum; // sum of modCounts
long last = 0L; // previous sum
int retries = -1; // first iteration isn't retry
try {
for (;;) {
if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
ensureSegment(j).lock(); // force creation
}
sum = 0L;
size = 0;
overflow = false;
for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
if (seg != null) {
sum += seg.modCount;
int c = seg.count;
if (c < 0 || (size += c) < 0)
overflow = true;
}
}
if (sum == last)
break;
last = sum;
}
} finally {
if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
segmentAt(segments, j).unlock();
}
}
return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}
这里首先使用不加锁模式下来计算各个segment下的元素个数并进行累加，比较前后计算两次并对两次计算结果进行比对，如果是一样的，则认为中间没有元素插入，计算结果就是最终的容器的元素的个数；如果两次结果不一样，则再次计算一次，和上一次计算结果进行比对，直到两次结果相同或者超过最大重试次数（3次，即在第一次计算容器元素个数后，后面最多还会重试3次计算容器元素个数并比较是否和上一次计算结果相等），当超过最大重试次数之后，认为情况下是因为并发些操作比较多，这时候会将整个容器的所有segment进行加锁，防止再往容器中新增元素，之后进行统计元素个数，并在统计完之后释放各个锁。
在JDK1.8中，已经摒弃了segment的概念，转而使用Node数组+链表+红黑树的数据结构，并发控制上则使用synchronized关键字和CAS来操作。关于JDK1.8中ConcurrentHashMap的实现感兴趣的读者可以自己看看源码。
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