大纲
1.JDK 1.7的HashMap的死循环与数据丢失
2.ConcurrentHashMap的并发安全
3.ConcurrentHashMap的设计介绍
4.ConcurrentHashMap的put操作流程
5.ConcurrentHashMap的Node数组初始化
6.ConcurrentHashMap对Hash冲突的处理
7.ConcurrentHashMap的并发扩容机制
8.ConcurrentHashMap的分段锁统计元素数据
9.ConcurrentHashMap的查询操作是否涉及锁
10.ConcurrentHashMap中红黑树的使用
1.JDK 1.7的HashMap的死循环与数据丢失
(1)JDK 1.7的HashMap工作原理
(2)JDK 1.7的HashMap并发下导致的环形链表
(3)环形链表引发的死循环与数据丢失
(4)JDK 1.7和JDK 1.8的HashMap对比
(5)并发安全的集合
(1)JDK 1.7的HashMap工作原理
一.Hash算法
put(key, value) => 对key执行Hash算法 => 根据Hash值用类似取模的算法 => 定位数组的某一个元素 => 如果数组元素为空，则将value存放在该数组元素里。
二.Hash冲突
如果两个key的Hash值，经过取模算法定位到数组的同一个位置，此时就会用链表处理这种Hash冲突。
三.数组扩容
如果数组元素达到了：数组大小 * loadFactor(0.75)，此时就会数组扩容。扩容时会按照倍数扩容，首先创建一个两倍大小的新数组。然后遍历原来的数组元素，对每个元素的key值进行Hash运算。接着将Hash运算后的Hash值对新数组大小进行取模，定位到新数组位置。
(2)JDK 1.7的HashMap并发下导致的环形链表
多线程并发操作HashMap时，可能会在扩容过程中形成一个环形链表。比如两个线程同时插入一个元素，而此时恰好两个线程同时触发了数组扩容。那么在数组扩容的过程中，就可能会形成一个环形链表。
下面是JDK1.7中HashMap扩容的核心源码。进行数组扩容时，会使用头插法来进行链表迁移。如果并发执行的两个线程同时使用头插法进行链表迁移，那么就有可能形成一个环形链表。
//JDK1.7的HashMap扩容的核心方法
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;//旧的数组
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
//线程1执行到这里，假设此时的链表为：newTable[i] = <k1,v1> -> <k2,v2>
//那么可知：e = <k1,v1>，next = <k2,v2>
//恰好此时CPU发生了上下文切换，于是切换到线程2去执行扩容
//线程2扩容时处理完链表的这两个节点后，newTable[i]就变成了：<k2,v2> -> <k1,v1>
//然后CPU又切换回线程1来执行，由于此时e = <k1,v1>，那么后续代码对e.next赋值后，e就成为环形链表了：
//也就是e = <k1,v1> -> <k2,v2> -> <k1,v1>，最后e又赋值给newTable[i]
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//在新数组的位置
//头插法：刚开始newTable[i]为null，后来newTable[i]变为<k1,v1>；
//然后当e=<k2,v2>时，这里e设为<k2,v2> -> <k1,v1>，并又赋值给newTable[i]
//接着遍历链表当e=<k3,v3>时，这里e设为<k3,v3> -> <k2,v2> -> <k1,v1> ...
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}(3)环形链表引发的死循环与数据丢失
一.环形链表导致死循环
假如执行get(k3)时，k3的Hash取模算法定位到环形链表的位置。于是开始遍历环形链表，但由于环形链表里没有k3的值，所以会导致在环形链表中无法找到k3对应的值进行返回。这样就导致了一直在环形链表中进行死循环，无法退出遍历。最后导致CPU飙升，线上系统被这个get操作卡死。
二.环形链表导致丢失数据
上面例子就导致了从出发是无法找到的，因此这条数据就永久丢失了，甚至会被垃圾回收掉。
(4)JDK 1.7和JDK 1.8的HashMap对比
在JDK1.7中，HashMap采用数组 + 链表的数据结构来存储数据。在多个线程并发扩容时，可能会造成环形链表最终导致死循环和数据丢失。
在JDK1.8中，HashMap采用数组 + 链表 + 红黑树的数据结构来存储数据，并且优化了JDK1.7中的数组扩容方案，解决了死循环和数据丢失的问题。但是在并发场景下调用put()方法时，有可能会存在数据覆盖的问题。
(5)并发安全的集合
比如HashTable使用synchronized来保证线程的安全性，比如Collections.synchronizedMap可以把一个线程不安全的Map，通过synchronized的方式，将其变成安全的。
但是这些方法在线程竞争激烈的情况下，效率都比较低。因为它们都是在方法层面上使用了synchronized实现的锁机制，从而导致不管是put操作还是get操作都需要去竞争同一把锁。
ConcurrentHashMap既能保证并发安全，性能也好于HashTable等集合。
2.ConcurrentHashMap的并发安全
(1)如何理解ConcurrentHashMap的并发安全
(2)ConcurrentHashMap在复合操作中的安全问题
(3)ConcurrentMap可解决复合操作的安全问题
(4)ConcurrentMap支持lambda表达式操作
(1)如何理解ConcurrentHashMap的并发安全
只能保证多线程并发执行时，容器中的数据不会被破坏。无法保证涉及多个线程的复合操作的正确性，复合操作会有并发安全问题。
(2)ConcurrentHashMap在复合操作中的安全问题
假设需要通过一个ConcurrentHashMap来记录每个用户的访问次数。如果指定用户已经有访问次数的记录，则进行递增，否则添加新访问记录。
如下代码在多线程并发调用时，会存在并发安全问题。虽然ConcurrentHashMap对于数据操作本身是安全的，但这里是复合操作，也就是"读—修改—写"，而这三个操作作为一个整体却不是原子的。所以当多个线程访问同一个用户时，很可能会覆盖相互操作的结果，从而造成该用户的访问记录次数少于实际访问次数。
public class Demo {
private static final ConcurrentHashMap<String, Long> USER_ACCESS_COUNT = new ConcurrentHashMap<>(64);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Long accessCount = USER_ACCESS_COUNT.get("张三");
if (accessCount == null) {
USER_ACCESS_COUNT.put("张三", 1L);
} else {
USER_ACCESS_COUNT.put("张三", accessCount + 1);
}
}
}(3)ConcurrentMap可解决复合操作的安全问题
虽然ConcurrentHashMap是并发安全的，但对于其复合操作需要特别关注。上述复合操作的安全问题的解决方案是，可以对复合操作加锁，也可以使用ConcurrentMap接口来解决复合操作的安全问题。
ConcurrentMap是一个支持并发访问的Map集合，相当于在原本的Map集合上新增了一些方法来扩展Map的功能。
ConcurrentMap接口定义的如下4个方法，都能满足原子性的，可以用在ConcurrentHashMap的复合操作场景中。
//A java.util.Map providing thread safety and atomicity guarantees.
public interface ConcurrentMap<K, V> extends Map<K, V> {
...
//向ConcurrentHashMap集合插入数据
//如果插入数据的key不存在于集合中，则保存当前数据并且返回null
//如果key已经存在，则返回存在的key对应的value
V putIfAbsent(K key, V value);
//根据key和value来删除ConcurrentHashMap集合中的元素
//该删除操作必须保证key和value完全匹配，删除成功则返回true，否则返回false
boolean remove(Object key, Object value);
//根据key和oldValue来替换ConcurrentHashMap中已经存在的值，新的值是newValue
//该替换操作必须保证key和oldValue玩去匹配，替换成功则返回true，否则返回false
boolean replace(K key, V oldValue, V newValue);
//和replace(key, oldValue, newValue)不同之处在于，少了对oldValue的判断
//如果替换成功，则返回替换之前的value，否则返回null
V replace(K key, V value);
...
}因此，可以基于ConcurrentMap提供的接口对上述Demo进行改造。将原来ConcurrentHashMap第一次的put()方法替换为putIfAbsent()方法，将原来ConcurrentHashMap修改用的put()方法替换为replace()方法。由于putIfAbsent()方法和replace()方法都能保证原子性，所以并发安全了。同时增加一个while(true)方法以实现一个类似自旋的操作，确保操作成功。
public class KeyUtil {
private static final ConcurrentHashMap<String, Long> USER_ACCESS_COUNT = new ConcurrentHashMap<>(64);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while (true) {
Long accessCount = USER_ACCESS_COUNT.get("张三");
if (accessCount == null) {
if (USER_ACCESS_COUNT.putIfAbsent("张三", 1L) == null) {
break;
}
} else {
if (USER_ACCESS_COUNT.replace("张三", accessCount, accessCount + 1)) {
break;
}
}
}
}
}(4)ConcurrentMap支持lambda表达式操作
一.computeIfAbsent()方法
该方法通过判断传入的key是否存在来对ConcurrentMap进行数据初始化。如果key存在，则不做任何处理。如果key不存在，则调用mappingFunction计算出value值添加到Map。
//如果张三这个用户不存在，则下面代码会初始化张三这个用户的值为1
USER_ACCESS_COUNT.computeIfAbsent("张三", k -> 1L);二.computeIfPresent()方法
该方法对已经存在的key对应的value值进行修改。如果key不存在，则返回null。如果key存在，则调用mappingFunction计算出value值修改Map。
//如果要对张三这个已经存在的用户的value值进行修改，可以使用如下代码：
USER_ACCESS_COUNT.computeIfPresent("张三", (k,v) -> v + 1);三.compute()方法
compute()方法是computeIfAbsent()方法和computeIfPresent()方法的结合体。不管key是否存在，都会调用mappingFunction计算出value值。如果key存在，则对value进行修改。如果key不存在，则进行初始化处理。
//如果张三这个用户不存在，则下面代码会初始化张三这个用户的值为1
USER_ACCESS_COUNT.computeIfAbsent("张三", k -> 1L);
//如果要对张三这个已经存在的用户的value值进行修改，可以使用如下代码：
USER_ACCESS_COUNT.computeIfPresent("张三", (k,v) -> v + 1);
//如果张三这个用户存在，则对其value加1，否则初始化其值为1
USER_ACCESS_COUNT.compute("张三", (k,v) -> (v == null) ? 1L : v + 1);3.ConcurrentHashMap的设计介绍
(1)JDK1.8相比于JDK1.7的改进
(2)ConcurrentHashMap的设计思想
(3)ConcurrentHashMap的数据结构定义
(1)JDK1.8相比于JDK1.7的改进
一.取消了segment分段设计，直接使用Node数组来保存数据
采用Node数组元素作为锁的粒度，进一步减少并发冲突的范围和概率。
二.引入红黑树设计
红黑树降低了极端情况下查询某个结点数据的时间复杂度，从O(n)降低到了O(logn)，提升了查找性能。
(2)ConcurrentHashMap的设计思想
一.通过对数组元素加锁来降低锁的粒度
二.多线程进行并发扩容
三.高低位迁移方法
四.链表转红黑树及红黑树转链表
五.分段锁来实现数据统计
(3)ConcurrentHashMap的数据结构定义
ConcurrentHashMap采用Node数组来存储数据，数组长度默认为16。Node表示数组中的一个具体的数据结点，并且实现了Map.Entry接口。Node的key和val属性，表示实际存储的key和value。Node的hash属性，表示当前key对应的hash值。Node的next属性，表示如果是链表结构，则指向下一个Node结点。
当链表长度大于等于8 + Node数组长度大于64时，链表会转为红黑树，红黑树的存储使用TreeNode来实现。
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
...
//The default initial table capacity.
//Must be a power of 2 (i.e., at least 1) and at most MAXIMUM_CAPACITY.
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
//The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.
//Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.
transient volatile Node<K,V>[] table;//用来存储ConcurrentHashMap数据的Node数组
//Key-value entry.
//This class is never exported out as a user-mutable Map.Entry
//(i.e., one supporting setValue; see MapEntry below),
//but can be used for read-only traversals used in bulk tasks.
//Subclasses of Node with a negative hash field are special,
//and contain null keys and values (but are never exported).
//Otherwise, keys and vals are never null.
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;//当前key对应的hash值
final K key;//实际存储的key
volatile V val;//实际存储的value
volatile Node<K,V> next;//如果是链表结构，则指向下一个Node结点
Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.val = val;
this.next = next;
}
...
}
//Nodes for use in TreeBins
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;
}
...
}
...
}4.ConcurrentHashMap的put操作流程
(1)ConcurrentHashMap的put操作流程
(2)ConcurrentHashMap和HashMap的put操作
(3)为什么ConcurrentHashMap是并发安全的
(1)ConcurrentHashMap的put操作流程
首先通过key的hashCode的高低16位的位与操作来计算key的hash值，让32位的hashCode都参与运算以降低数组大小小于32时哈希冲突的概率。
然后判断Node数组是否为空或者Node数组的长度是否为0。如果为空或者为0，则调用initTable()方法进行初始化。如果不为空，则通过hash & (n - 1)计算当前key在Node数组中的下标位置。并通过tabAt()方法获取该位置的值f，然后判断该位置的值f是否为空。
如果该位置的值f为空，则把当前的key和value封装成Node对象。然后尝试通过casTabAt()方法使用CAS设置该位置的值f为封装好的Node对象。如果CAS设置成功，则退出for循环，否则继续进行下一次for循环。
如果该位置的值f不为空，则判断Node数组是否正处于扩容中。如果是，那么当前线程就调用helpTransfer()方法进行并发扩容。如果不是，那么说明当前的key在Node数组中出现了Hash冲突。于是通过synchronized关键字，对该位置的值f进行Hash冲突处理。其实JUC还可以继续优化，比如先用CAS尝试修改哈希冲突下的链表或红黑树。如果CAS修改失败，那么再通过使用synchronized对该数组元素加锁来进行处理。
最后，会调用addCount()方法统计Node数组中的元素个数。
public class ConcurrentHashMapDemo {
public static void main(String[] args) {
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>();
map.put("k1", "v1");
}
}
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
...
//The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.
//Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.
transient volatile Node<K,V>[] table;
//Creates a new, empty map with the default initial table size (16).
public ConcurrentHashMap() {
}
//Creates a new, empty map with an initial table size
//accommodating the specified number of elements without the need to dynamically resize.
//@param initialCapacity The implementation performs internal sizing to accommodate this many elements.
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
if (initialCapacity < 0) {
throw new IllegalArgumentException();
}
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
this.sizeCtl = cap;
}
//Returns a power of two table size for the given desired capacity.
private static final int tableSizeFor(int c) {
int n = c - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
static final int spread(int h) {
//通过hashCode的高低16位的异或运算来计算hash值，以降低数组大小比32小的时候的哈希冲突概率
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
//Maps the specified key to the specified value in this table.
//Neither the key nor the value can be null.
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
//获取Node数组在位置i的元素，通过Unsafe类让数组中的元素具有可见性
//虽然table变量使用了volatile修饰，但这只保证了table引用对于所有线程的可见性，还不能保证table数组中的元素的修改对于所有线程是可见的
//因此需要通过Unsafe类的getObjectVolatile()来保证table数组中的元素的可见性
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
//CAS设置Node数组的元素为某个Node对象
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) {
throw new NullPointerException();
}
//通过key的hashCode的高低16位的位与操作来计算hash值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
//这是一个没有结束条件的for循环，用来自旋
//其中Node数组的引用赋值给了tab变量
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
//调用initTable()方法初始化Node数组
tab = initTable();
} else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//如果通过CAS设置Node数组位置i的值为key/value封装的Node对象，则退出for循环
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) {
break;// no lock when adding to empty bin
}
} else if ((fh = f.hash) == MOVED) {
//如果发现Node数组正处于扩容中，那么就进行并发扩容
tab = helpTransfer(tab, f);
} else {
V oldVal = null;
//处理Hash冲突
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {//如果是链表
binCount = 1;
for (Node<K,V> 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<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null);
break;
}
}
} else if (f instanceof TreeBin) {//如果是红黑树
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent) {
p.val = value;
}
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
//如果链表的元素大于等于8
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) {//TREEIFY_THRESHOLD = 8
treeifyBin(tab, i);//链表转红黑树
}
if (oldVal != null) {
return oldVal;
}
break;
}
}
}
//调用addCount()方法统计Node数组元素的个数
addCount(1L, binCount);
return null;
}
...
}(2)ConcurrentHashMap和HashMap的put操作
都是通过key的hashCode的高低16位的异或运算，来降低Hash冲突概率。
都是通过Hash值与数组大小-1的位与运算(取模)，来定位key在数组的位置。
但ConcurrentHashMap使用了自旋 + CAS + synchronized来处理put操作，从而保证了多个线程对数组里某个key进行赋值时的效率 + 并发安全性。
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//链表转红黑树的阈值
...
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) {
n = (tab = resize()).length;
}
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) {
//如果通过哈希寻址算法定位到的下标为i的数组元素为空(即tab[i]为空)
//那么就可以直接将一个新创建的Node对象放到数组的tab[i]这个位置；
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
} else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
//通过哈希寻址算法定位到的数组位置已有Node元素
//那么判断是否为相同的key，如果是相同的key则进行value覆盖
e = p;
} else if (p instanceof TreeNode) {
//通过哈希寻址算法定位到的数组位置已有Node元素，而且不是相同的key
//那么通过"p instanceof TreeNode)"，判断数组的tab[i]元素是否是一颗红黑树
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
} else {
...
}
...
}
++modCount;
//判断数组大小size，是否已经达到了扩容阈值threshold大小
if (++size > threshold) {
resize();
}
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
...
}(3)为什么ConcurrentHashMap是并发安全的
首先在初始化Node数组时，会通过自旋 + CAS去设置sizeCtl的值来获得锁。然后在put()操作时，也会通过自旋 + CAS去设置数组某个位置的值。当出现Hash冲突时，则使用synchronized关键字来修改数组某个位置的值。
5.ConcurrentHashMap的Node数组初始化
(1)调用put()方法时才初始化Node数组
(2)initTable()方法的初始化逻辑
(3)sizeCtl的状态流转
(1)调用put()方法时才初始化Node数组
Node数组的初始化过程是被动的，当调用ConcurrentHashMap.put()方法时，如果发现Node数组还没有被初始化，才会调用initTable()方法完成初始化。
(2)initTable()方法的初始化逻辑
initTable()方法和一般的初始化方法不同，因为需要考虑多线程并发情形。
首先while循环的退出条件是Node数据即table初始化成功，否则一直循环。这其实就使用到了自旋的机制，因为多个线程调用initTable()必然会竞争。而在竞争的情况下如果不采用独占锁机制，就只能通过自旋来不断重试。
然后通过sizeCtl是否小于0来判断当前是否有其他线程正在进行初始化。如果有，则通过Thread.yield()把自己变成就绪状态，释放CPU资源。如果没有，则通过CAS修改sizeCtl变量的值为-1。
如果CAS修改sizeCtl成功，则表示当前线程获取初始化Node数组的锁成功了；
如果CAS修改sizeCtl失败，则表示当前线程获取初始化Node数组的锁失败了；
对于获取锁失败的线程，会继续进入下一次while循环进行重试，这样设计是为了避免出现多个线程同时初始化Node数组。
对于获取锁成功的线程，首先会判断Node数组是否已经初始化完成。如果Node数组已经初始化完成，则退出while循环。如果Node数组还是空，则创建一个Node数组，然后赋值给table变量。并且计算下次扩容的阈值(0.75倍当前数组容量)，然后赋值给sizeCtl。
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
//sizeCtl = -1，表示当前有线程抢占到了初始化Node数组的资格，正在初始化Node数组
//sizeCtl < -1，用sizeCtl值的二进制低16位来记录当前参与扩容的线程数量
//sizeCtl = 0，表示Node数组未初始化，并且在ConcurrentHashMap构造方法中没有指定初始容量
//sizeCtl > 0，如果Node数组已经初始化，那么sizeCtl表示扩容的阈值(初始容量 * 0.75)，如果未初始化，则表示数组的初始容量
private transient volatile int sizeCtl;
private static final long SIZECTL;
static {
try {
U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();//获取UnSafe对象
Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;
SIZECTL = U.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("sizeCtl"));//获取sizeCtl变量的偏移量
...
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
...
//初始化Node数组
//Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
//退出while循环的条件是Node数组即table初始化成功
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//判断当前是否有其他线程正在进行初始化
if ((sc = sizeCtl) < 0) {
//如果有，则通过Thread.yield()把自己变成就绪状态，释放CPU资源
Thread.yield();//lost initialization race; just spin
} else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
//如果没有线程正在进行初始化，则通过CAS修改sizeCtl变量的值为-1
//如果CAS修改成功，则表示当前线程获得了初始化数组的锁
//如果CAS修改失败，则表示当前线程获取初始化数组的锁失败
try {
//再次判断Node数组是否为空，即Node数组是否已经初始化完成
//因为执行Thread.yield()让出CPU资源的线程必然会再次执行到这里
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
//初始化大小为n的Node数组，然后赋值给tab变量和table变量
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
//赋值给ConcurrentHashMap的全局Node数组table
table = tab = nt;
//计算下次扩容的阈值，阈值的计算是当前数组容量的0.75倍
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
//最后将扩容的阈值赋值给sizeCtl
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
...
}(3)sizeCtl的状态流转
一.sizeCtl = -1
表示当前有线程抢占到了初始化Node数组的资格，正在初始化Node数组。
二.sizeCtl < -1
用sizeCtl值的二进制低16位来记录当前参与扩容的线程数量。
三.sizeCtl = 0
表示Node数组未初始化，且创建ConcurrentHashMap时没有指定初始容量。
四.sizeCtl > 0
如果Node数组已经初始化，那么sizeCtl表示扩容的阈值(初始容量 * 0.75)。如果Node数组未初始化，则表示数组的初始容量。
6.ConcurrentHashMap对Hash冲突的处理
(1)Hash冲突的几个解决方案
(2)ConcurrentHashMap对Hash冲突的处理
(3)链表长度大于8时是扩容还是转化为红黑树
(1)Hash冲突的几个解决方案
一.开放寻址法
如果位置i被占用，那么就探查i+1、i+2、i+3的位置。ThreadLocal采用的就是开放寻址法。
二.链式寻址法
Hash表的每个位置都连接一个链表。当发生Hash冲突时，冲突的元素会被加入到这个位置的链表中。ConcurrentHashMap就是基于链式寻址法解决Hash冲突的。
三.再Hash法
提供多个不同的Hash函数，当发生Hash冲突时，使用第二个、第三个等。
(2)ConcurrentHashMap对Hash冲突的处理
首先使用synchronized对当前位置的Node对象f进行加锁。由于这种锁控制在数组的单个数据元素上，所以长度为16的数组理论上就可以支持16个线程并发写入数据。
然后判断当前位置的Node对象f是链表还是红黑树。如果是链表，那么就把当前的key/value封装成Node对象插入到链表的尾部。如果是红黑树，那么就调用TreeBin的putTreeVal()方法往红黑树插入结点。
最后判断链表的长度是否大于等于8，如果链表的长度大于等于8，再调用treeifyBin()方法决定是扩容数组还是将链表转化为红黑树。
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
...
//The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.
//Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.
transient volatile Node<K,V>[] table;
//Maps the specified key to the specified value in this table.
//Neither the key nor the value can be null.
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
//获取Node数组在位置i的元素
//虽然table变量使用了volatile修饰，但这只保证了table引用对于所有线程的可见性，还不能保证table数组中的元素的修改对于所有线程是可见的
//因此需要通过Unsafe类的getObjectVolatile()来保证table数组中的元素的可见性
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
//CAS设置Node数组的元素为某个Node对象
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) {
throw new NullPointerException();
}
//通过key的hashCode的高低16位的位与操作来计算hash值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
//这是一个没有结束条件的for循环，用来自旋
//其中Node数组的引用赋值给了tab变量
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
//调用initTable()方法初始化Node数组
tab = initTable();
} else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//如果通过CAS设置Node数组位置i的值为key/value封装的Node对象，则退出for循环
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) {
break;// no lock when adding to empty bin
}
} else if ((fh = f.hash) == MOVED) {
//发现Node数组正处于扩容中，那么就进行并发扩容
tab = helpTransfer(tab, f);
} else {
V oldVal = null;
//处理Hash冲突
synchronized (f) {//使用synchronized对当前数组位置的Node对象f进行加锁
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {//如果是链表
binCount = 1;//binCount用来记录链表的长度
//从链表的头结点开始遍历每个结点
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//如果存在相同的key，则修改该key的value
if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent) {
e.val = value;
}
break;
}
Node<K,V> pred = e;
//找到链表的最后一个结点
if ((e = e.next) == null) {
//把当前的key/value封装成Node对象插入到链表的尾部
pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null);
break;
}
}
} else if (f instanceof TreeBin) {//如果是红黑树
Node<K,V> p;
binCount = 2;
//调用TreeBin的putTreeVal()方法往红黑树插入结点
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent) {
p.val = value;
}
}
}
}
}
//最后判断链表的长度是否大于等于8
if (binCount != 0) {
//如果链表的长度大于等于8，再调用treeifyBin()方法决定是扩容数组还是转化为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) {//TREEIFY_THRESHOLD = 8
treeifyBin(tab, i);//是扩容数组还是转化为红黑树
}
if (oldVal != null) {
return oldVal;
}
break;
}
}
}
//调用addCount()方法统计Node数组元素的个数
addCount(1L, binCount);
return null;
}
...
}(3)链表长度大于8时是扩容还是转化为红黑树
当链表长度 >= 8时，ConcurrentHashMap会对链表采用两种方式进行优化。
方式一：对数组进行扩容
当数组长度 <= 64，且链表长度 >= 8时，优先选择对数组进行扩容。
方式二：把链表转化为红黑树
当数组长度 > 64，且链表长度 >= 8时，会将链表转化为红黑树。
treeifyBin()方法的作用是根据相关阈值来决定是扩容还是把链表转为红黑树。
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
...
//Replaces all linked nodes in bin at given index unless table is too small, in which case resizes instead.
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
Node<K,V> b; int n, sc;
if (tab != null) {
//如果当前数组的长度小于64，则调用tryPresize()方法进行数组扩容
if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) {
tryPresize(n << 1);//数组扩容
} else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
synchronized (b) {
if (tabAt(tab, index) == b) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
//构建一个TreeNode并插入红黑树中
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;
}
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
}
}
...
}
