Java中的雜湊表主要包括：HashMap，HashTable，ConcurrentHashMap，LinkedHashMap和TreeMap等。HashMap是無序的，並且不是執行緒安全的，在多執行緒環境下會出現資料安全性問題，典型的問題是多執行緒同時rehash過程中產生的死迴圈問題。LinkedHashMap和TreeMap都是有序的，但是兩者的有序機制不同：LinkedHashMap是通過連結串列的結構保證元素有序，而TreeMap是一種紅黑樹結構，通過堆排序保證元素有序。在Java6中HashMap，HashTable和ConcurrentHashMap都是採用陣列+連結串列的資料結構，在Java8之後則採用陣列+連結串列+紅黑樹的資料結構。HashTable和ConcurrentHashMap都是執行緒安全的，保證執行緒安全無外乎加鎖，但是二者加鎖的粒度不通，HashTable整個表就一把鎖，它的get和put都是通過synchronized保證安全，在多執行緒競爭鎖激烈的情況下，會出現效能問題。本文講解的ConcurrentHashMap是Java7版本。
資料結構
Java7中ConcurrentHashMap採用陣列+連結串列的資料結構，雜湊表整體上是一個Segment的陣列，而每個分段Segment又是一個HashEntry的陣列，每個HashEntry是一個連結串列。
ConcurrentHashMap鎖分段
鎖粗化是鎖優化的一種重要措施，而鎖粗化又包含”lock-splitting”（鎖定拆分）和”lock-stripping”（鎖條帶化）。讀寫鎖分離是一種典型的鎖定拆分方式，JUC中的ReentrantReadWriteLock就是一種讀寫分離鎖，鎖定條帶化是指將一把“大鎖”拆分成若干個“小鎖”來降低鎖的競爭。ConcurrentHashMap就是通過鎖條帶化來做鎖的優化。我們都知道ConcurrentHashMap是分段的，它的表是一個Segment陣列：
/**
* The segments, each of which is a specialized hash table
*/
final Segment<K,V>[] segments;
複製程式碼而每個Segment都是繼承了一個ReentrantLock：
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {...}
複製程式碼所以ConcurrentHashMap的每個Segment都是一把鎖，不同的Segment之間的讀寫不構成競爭，大大降低了鎖的競爭。既然每個Segment都是一把鎖，那麼這個segment陣列的長度是多少呢？也就是說整個表我們需要多少把鎖呢？
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) // MAX_SEGMENTS是指整個表最多能分成多少個segment，也即是多少把鎖
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) { // 找到不小於我們指定的concurrencyLevel的2的冪次方的一個數作為segment陣列的長度
++sshift;
ssize <<= 1;
}
segmentShift = 32 - sshift;
segmentMask = ssize - 1;
this.segments = Segment.newArray(ssize);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = 1;
while (cap < c)
cap <<= 1;
for (int i = 0; i < this.segments.length; ++i)
this.segments[i] = new Segment<K,V>(cap, loadFactor);
}
複製程式碼在ConcurrentHashMap的建構函式中我們指定了concurrencyLevel，也即是多少把鎖。這個數量不能超過上限:MAX_SEGMENTS(1 << 16)，鎖的個數必須是2的冪次方，如果我們指定的concurrencyLevel不是2的冪次方，建構函式會找到最接近的一個不小於我們指定的值的一個2的冪次方數作為segment陣列長度。例如：我們指定concurrencyLevel為15，則最終segment陣列長度為16，也即是表一共有16把鎖。設想兩個執行緒同時向表中插入元素，執行緒1插入的第0個segment，執行緒2插入的是第1個segment，執行緒1和執行緒2互不影響，能夠同時並行。但是HashTable就做不到這一點。
put操作
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; // 通過位運算得到segment的索引位置
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);
}
複製程式碼ConcurrentHashMap不支援插入null的值，因此首先校驗value是否為null。如果value是null則丟擲異常。
注意這裡計算segment索引方式是: (hash >>> segmentShift) & segmentMask; 而不是hash % segment陣列長度。這兒是一個優化：因為取模”%”操作相對位運算來說是很慢的，因此這裡是用位運算來得到segment索引。而當segment陣列長度是2的冪次方記為segmentSize時:hash % segmentSize == hash & (segmentSize - 1)。這裡不做證明。因此segmentSize必須是2的冪次方。來看看Segment中的put()方法：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : // 獲取segment的鎖，這裡會有一個優化：獲取鎖的時候首先會通過 `tryLock()` 嘗試若干次
scanAndLockForPut(key, hash, value); // 如果若干次之後還沒有獲取鎖，則用 `lock()` 方法阻塞等待，直到獲取鎖
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash; // 得到segment的table的索引，也是通過位運算
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); // table中index位置的first節點
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) { // 對應的key已經有了value
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) { // 是否覆蓋原來的value
e.value = value; // 覆蓋原來的value
++modCount;
}
break;
}
e = e.next; // 遍歷
}
else {
if (node != null)
node.setNext(first); // 如果node已經在scanAndLockForPut()方法中初始化過
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first); // 如果node為null，則初始化
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node); // 如果超過閾值，則擴容
else
setEntryAt(tab, index, node); // 通過UNSAFE設定table陣列的index位置的元素為node
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
複製程式碼首先，會獲取segment的鎖，然後判斷新增元素後是否需要擴容。注意這裡的擴容是指Segment中的HashEntry[] table表陣列擴容，而不是最外層的segment[]陣列擴容。segment[]陣列是不可擴充套件的，在建構函式中已經確定了segment[]陣列的長度。
接著同樣通過位運算得到待新增元素在HashEntry[] table陣列中的位置。接著再判斷這個連結串列中是否已經存在這個key，如果存在並且onlyIfAbsent為false，就覆蓋原value；如果連結串列不存在key，則將新的node通過UNSAFE放到table陣列指定的位置。
get操作
get操作比較簡單，不需要加鎖。可見性由volatile來保證：HashEntry的value是volatile的，Segment中的HashEntry[] table陣列也是volatile。這保證了其他執行緒對雜湊表的修改能夠及時地被讀執行緒發現。
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; // 計算key應該落在segments陣列的哪個segment中
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); // 計算key應該落在table的哪個位置
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k))) // 如果key和當前節點的key指向同一塊記憶體地址或者當前節點的hash
return e.value; // 等於key的hash並且key"equals"當前節點的key則說明當前節點就是目標節點
}
}
return null; // key不在當前雜湊表中，返回null
}
複製程式碼rehash
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
/*
* Reclassify nodes in each list to new table. Because we
* are using power-of-two expansion, the elements from
* each bin must either stay at same index, or move with a
* power of two offset. We eliminate unnecessary node
* creation by catching cases where old nodes can be
* reused because their next fields won`t change.
* Statistically, at the default threshold, only about
* one-sixth of them need cloning when a table
* doubles. The nodes they replace will be garbage
* collectable as soon as they are no longer referenced by
* any reader thread that may be in the midst of
* concurrently traversing table. Entry accesses use plain
* array indexing because they are followed by volatile
* table write.
*/
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
int newCapacity = oldCapacity << 1; // 每次擴容成原來capacity的2倍，這樣元素在新的table中的索引要麼不變要麼是原來的索引加上2的一個倍數
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); // 新的擴容閾值
HashEntry<K,V>[] newTable =
(HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity]; // 新的segment table陣列
int sizeMask = newCapacity - 1;
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // Single node on list
newTable[idx] = e;
else { // Reuse consecutive sequence at same slot
HashEntry<K,V> lastRun = e;
int lastIdx = idx;
for (HashEntry<K,V> last = next; // 在拷貝原來連結串列的元素到新的table中時有個優化：通過遍歷找到原先連結串列中的lastRun節點，這個節點以及它的後續節點都不需要重新拷貝，直接放到新的table中就行
last != null;
last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
newTable[lastIdx] = lastRun; // lastRun節點以及lastRun後續節點都不需要重新拷貝，直接賦值引用
// Clone remaining nodes
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) { // 迴圈拷貝原先連結串列lastRun之前的節點到新的table連結串列中
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask;
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]); // rehash之後，執行新增新的節點
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;
}
複製程式碼由於rehash過程中是加排它鎖的，這樣其他的寫入請求將被阻塞等待。而對於讀請求，需要分情況討論：讀請求在rehash之前，此時segment中的table陣列指標還是指向原先舊的陣列，所以讀取是安全的；如果讀請求在rehash之後，因為table陣列和HashEntry的value都是volatile，所以讀執行緒也能及時讀取到更新的值，因此也是執行緒安全的。所以rehash不會影響到讀。
remove操作
public V remove(Object key) {
int hash = hash(key);
Segment<K,V> s = segmentForHash(hash); // key落在哪個segment中
return s == null ? null : s.remove(key, hash, null); // 如果segment為null，則說明雜湊表中沒有key，直接返回null，否則呼叫Segment的remove
}
final V remove(Object key, int hash, Object value) { // Segment的remove方法
if (!tryLock()) // 獲取Segment的鎖，套路還是一樣的首先進行若干次 `tryLock()`, 如果失敗了則通過 `lock()` 方法阻塞等待直到獲取鎖
scanAndLock(key, hash);
V oldValue = null;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> e = entryAt(tab, index); // 找到key具體在table的哪個連結串列中，e代表連結串列當前節點
HashEntry<K,V> pred = null; // pred代表e節點的前置節點
while (e != null) {
K k;
HashEntry<K,V> next = e.next;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) { // 找到了這個key對應的HashEntry
V v = e.value;
if (value == null || value == v || value.equals(v)) {
if (pred == null) // 如果當前節點的前置節點為空，說明要刪除的節點是當前連結串列的頭節點，直接將當前連結串列的頭節點指向當前節點的next就可以了
setEntryAt(tab, index, next);
else
pred.setNext(next); // 否則修改前置節點的next指標，指向當前節點的next節點，這樣當前節點將不再"可達"，可以被GC回收
++modCount;
--count;
oldValue = v;
}
break;
}
pred = e;
e = next;
}
} finally {
unlock(); // 解鎖
}
return oldValue;
}
複製程式碼remove時，首先會找到這個key落在哪個Segment中，如果key沒有落在任何一個Segment中，說明key不存在，直接返回null。找到具體的Segment後，呼叫Segment的remove方法來進行刪除：找到key落在Segment的table陣列中的哪個連結串列中，遍歷連結串列，如果要刪除的節點是當前連結串列的頭節點，則直接修改連結串列的頭指標為當前節點的next節點；如果要刪除的節點不是頭節點，繼續遍歷找到目標節點，修改目標節點的前置節點的next指標指向目標節點的next節點完成操作。
安全性分析：remove時首先會加鎖，其他mutable請求都是會被阻塞的，對於讀請求也是安全的。如果讀取的key不是當前要刪除的key不會有任何問題。如果讀取的key恰巧是當前需要刪除key：讀請求在remove之前，這時可以讀取到；如果讀請求在remove操作之後，由於HashEntry的next指標都是volatile的，所以讀執行緒也是可以及時發現這個key已經被刪除了的。也是安全的。
size操作
ConcurrentHashMap的size操作在Java7實現還是比較有意思的。其首先會進行若干次嘗試，每次對各個Segment的count求和，如果任意前後兩次求和結果相同，則說明在這段時間之內各個Segment的元素個數沒有改變，直接返回當前的求和結果就行了。如果超過一定重試次數之後，會採取悲觀策略，直接鎖定各個Segment，然後依次求和。注意這裡是鎖定所有Segment，因此在採取悲觀策略時整個雜湊表都不能有寫入操作。這裡先樂觀再悲觀的策略和前面的put操作中的scanAndLockForPut有異曲同工之妙。
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; // 首先不加鎖，每次對各個Segment的count累加求和，如果任意兩次的累加結果相同，則直接返回這個結果；超過一定的次數之後悲觀鎖定所有的Segment，再求和。鎖定之後整個雜湊表不能有任何的寫入操作。
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) { // 最大樂觀重試次數
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) { // 對各個Segment的count累加，不加鎖
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) // 如果本次累加結果和上次相同，說明這中間沒有插入或者刪除操作，直接返回這個結果
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; // 如果溢位，返回最大整型作為結果，否則返回累加結果
}
複製程式碼總結
- ConcurrentHashMap採取分段鎖，是一種典型的”lock-stripping”策略，目的是為了降低高併發情況下的鎖競爭。
- rehash過程的擴容不是segment陣列的擴容，而是Segment中HashEntry[] table陣列的擴容，Segment[] segments陣列是final的，在雜湊表初始化完成後不再更改。
- ConcurrentHashMap中很多地方用到了volatile，保證了可見性，例如，Segment中的HashEntry[] table陣列，HashEntry中的value和next指標都是volatile的。
- 加鎖是低效的，執行緒的上下文切換需要消耗效能，因此ConcurrentHashMap很多地方都用到了樂觀重試的策略，在超過一定次數之後再採取悲觀策略。例如size操作。
- 在使用ConcurrentHashMap之前請明確你的資料結構是否真的會有多執行緒併發操作，如果沒有，僅僅是單執行緒操作，請使用HashMap，因為在不考慮併發安全性問題時，不論是HashTable還是ConcurrentHashMap他們的效能都沒有HashMap好。