HashMap 、HashTable与ConcurrentHashMap

• HashMap 就是哈希表， 它的底层数据结构是，数组加链表加红黑树。假设HashMap  的初始元素有16个，HashMap 通过put(k,v)来添加值，put 的过程是首先通过k算出一个hashcode，然后在放到对应的数组中，随着put的值增多时就会发生两个hashcode 的值相同，此时就发生了冲突，那么就在数组的同一个位置产生了链表，如果链表数量大于8的时候就会变成红黑树，如果小于6时，又会变成链表。

1.哈希表的优点：对于查找，添加和删除时间复杂度都是O(1)。因为它有数组，数组的查询为O(1)，还有链表，链表的添加和删除时间复杂度是O(1)。

2.哈希表的缺点：线程不安全，在涉及到多线程并发的情况，进行get操作有可能会引起死循环，导致CPU利用率接近100%。

final HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>(2);
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
        }
    }).start();
}

解决方案有Hashtable和Collections.synchronizedMap(hashMap)，不过这两个方案基本上是对读写进行加锁操作，一个线程在读写元素，其余线程必须等待，性能可想而知。

• HashTable 虽然是线程安全，但它所有涉及多线程的操作都用synchronized锁住整个table表，不管是put还是get操作都用synchronized关键字，这显然是极大的浪费，效率低下，需要将锁的颗粒度降低。
• ConcurrentHashMap 主要就是为了应对hashmap在并发环境下不安全而诞生的，ConcurrentHashMap的设计与实现非常精巧，大量的利用了volatile，final，CAS等lock-free技术来减少锁竞争对于性能的影响。

ConcurrentHashMap避免了对全局加锁改成了局部加锁操作，这样就极大地提高了并发环境下的操作速度，由于ConcurrentHashMap在JDK1.7和1.8中的实现非常不同，接下来我们谈谈JDK在1.7和1.8中的区别。

JDK1.7版本的CurrentHashMap的实现原理

在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了数组+Segment+分段锁的方式实现。

ConcurrentHashMap解决了什么问题？  解决了HashTable在高并发下效率低，等待时间长的问题。

1.Segment(分段锁)

ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表,同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）。直接上图看concurrentHashMap结构更清晰。

 ConcurrentHashMap采用了非常精妙的"分段锁"策略，ConcurrentHashMap的主干是个Segment数组。

 final Segment<K,V>[] segments;

HashEntry是目前我们提到的最小的逻辑处理单元了。一个ConcurrentHashMap维护一个Segment数组，一个Segment维护一个HashEntry数组。

 transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

static final class HashEntry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V value;
        volatile HashEntry<K,V> next;
        //其他省略
}   

我们说Segment类似哈希表，那么一些属性就跟我们之前提到的HashMap差不离，比如负载因子loadFactor，比如阈值threshold等等，看下Segment的构造方法

Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
            this.loadFactor = lf;//负载因子
            this.threshold = threshold;//阈值
            this.table = tab;//主干数组即HashEntry数组
        }

　　我们来看下ConcurrentHashMap的构造方法

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                               float loadFactor, int concurrencyLevel) {
          if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
              throw new IllegalArgumentException();
          //MAX_SEGMENTS 为1<<16=65536，也就是最大并发数为65536
          if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
              concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
          //2的sshif次方等于ssize，例:ssize=16,sshift=4;ssize=32,sshif=5
         int sshift = 0;
         //ssize 为segments数组长度，根据concurrentLevel计算得出
         int ssize = 1;
         while (ssize < concurrencyLevel) {
             ++sshift;
             ssize <<= 1;
         }
         //segmentShift和segmentMask这两个变量在定位segment时会用到，后面会详细讲
         this.segmentShift = 32 - sshift;
         this.segmentMask = ssize - 1;
         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
         //计算cap的大小，即Segment中HashEntry的数组长度，cap也一定为2的n次方.
         int c = initialCapacity / ssize;
         if (c * ssize < initialCapacity)
             ++c;
         int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
         while (cap < c)
             cap <<= 1;
         //创建segments数组并初始化第一个Segment，其余的Segment延迟初始化
         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);
         this.segments = ss;
     }

　初始化方法有三个参数，如果用户不指定则会使用默认值，initialCapacity为16，loadFactor为0.75（负载因子，扩容时需要参考），concurrentLevel为16。从上面的代码可以看出来,Segment数组的大小ssize是由concurrentLevel来决定的，但是却不一定等于concurrentLevel。知道了segment的大小就可以知道HashEntry数组的大小，计算cap的大小，即Segment中HashEntry的数组长度，cap也一定为2的n次方。

　接下来，我们来看看ConcurrentHashMap的put方法

public V put(K key, V value) {
        Segment<K,V> s;
        //concurrentHashMap不允许key/value为空
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        //hash函数对key的hashCode重新散列，避免差劲的不合理的hashcode，保证散列均匀
        int hash = hash(key);
        //返回的hash值无符号右移segmentShift位与段掩码进行位运算，定位segment
        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);
    }

　　从源码看出，put的主要逻辑也就两步：1.定位segment并确保定位的Segment已初始化 2.调用Segment的put方法。

　　我们来看看ConcurrentHashMap的get方法

public V get(Object key) {
        Segment<K,V> s; 
        HashEntry<K,V>[] tab;
        int h = hash(key);
        long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;        //先定位Segment，再定位HashEntry
        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;
    }

　　get方法无需加锁，由于其中涉及到的共享变量都使用volatile修饰，volatile可以保证内存可见性，所以不会读取到过期数据。

来看下concurrentHashMap代理到Segment上的put方法，Segment中的put方法是要加锁的。只不过是锁粒度细了而已。

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
                scanAndLockForPut(key, hash, value);//tryLock不成功时会遍历定位到的HashEnry位置的链表（遍历主要是为了使CPU缓存链表），若找不到，则创建HashEntry。
　　　　　　　　　　//tryLock一定次数后（MAX_SCAN_RETRIES变量决定），则lock。若遍历过程中，由于其他线程的操作导致链表头结点变化，则需要重新遍历。
            V oldValue;
            try {
                HashEntry<K,V>[] tab = table;
                int index = (tab.length - 1) & hash;//定位HashEntry，可以看到，这个hash值在定位Segment时和在Segment中定位HashEntry都会用到，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//只不过定位Segment时只用到高几位。
                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;　　　　　　　　　　　　　　//若c超出阈值threshold，需要扩容并rehash。扩容后的容量是当前容量的2倍。
　　　　　　　　　　　　　　//这样可以最大程度避免之前散列好的entry重新散列，具体在另一篇文章中有详细分析，不赘述。扩容并rehash的这个过程是比较消耗资源的。
                        if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                            rehash(node);
                        else
                            setEntryAt(tab, index, node);
                        ++modCount;
                        count = c;
                        oldValue = null;
                        break;
                    }
                }
            } finally {
                unlock();
            }
            return oldValue;
        }  

JDK1.8版本的CurrentHashMap的实现原理

1.8的实现已经抛弃了Segment分段锁机制，利用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全，底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。

 JDK8中彻底放弃了Segment转而采用的是Node，其设计思想也不再是JDK1.7中的分段锁思想。

Node：保存key，value及key的hash值的数据结构。其中value和next都用volatile修饰，保证并发的可见性。

<strong>class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
    //... 省略部分代码
} </strong>

　　其实可以看出JDK1.8版本的ConcurrentHashMap的数据结构已经接近HashMap，相对而言，ConcurrentHashMap只是增加了同步的操作来控制并发，从JDK1.7版本的ReentrantLock+Segment+HashEntry，到JDK1.8版本中synchronized+CAS+HashEntry+红黑树

参考

作者： dreamcatcher-cx

出处： <http://www.cnblogs.com/chengxiao/>