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前言
在平时中集合使用中，当涉及多线程开发时，如果使用HashMap可能会导致死锁问题，使用HashTable效率又不高。而ConcurrentHashMap在保持同步同时并发效率比较高，ConcurrentHashmap是最好的选择，那面试中也会被常常问到，那可能的问题是：
ConcurrentHashMap的实现原理
- ConcurrentHashMap1.7和1.8的区别？
- ConcurrentHashMap使用什么技术来保证线程安全
ConcurrentHashMap的put()方法
- ConcurrentHashmap 不支持 key 或者 value 为 null 的原因？
- put()方法如何实现线程安全呢？
- ConcurrentHashMap扩容机制
- ConcurrentHashMap的get方法是否要加锁，为什么？
其他问题
- 为什么使用ConcurrentHashMap
- ConcurrentHashMap迭代器是强一致性还是弱一致性？HashMap呢？
- JDK1.7与JDK1.8中ConcurrentHashMap的区别
ConcurrentHashMap的实现原理
ConcurrentHashMap的出现主要为了解决hashmap在并发环境下不安全，JDK1.8ConcurrentHashMap的设计与实现非常精巧，大量的利用了volatile，CAS等乐观锁技术来减少锁竞争对于性能的影响，ConcurrentHashMap保证线程安全的方案是：
- JDK1.8：synchronized+CAS+HashEntry+红黑树；
- JDK1.7：ReentrantLock+Segment+HashEntry。
JDK7 ConcurrentHashMap
在JDK1.7中ConcurrentHashMap由Segment(分段锁)数组结构和HashEntry数组组成，且主要通过Segment(分段锁)段技术实现线程安全。
Segment是一种可重入锁，是一种数组和链表的结构，一个Segment中包含一个HashEntry数组，每个HashEntry又是一个链表结构，因此在ConcurrentHashMap查询一个元素的过程需要进行两次Hash操作，如下所示：
- 第一次Hash定位到Segment，
- 第二次Hash定位到元素所在的链表的头部
正是通过Segment分段锁技术，将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问，能够实现真正的并发访问。
这样结构会使Hash的过程要比普通的HashMap要长，影响性能，但写操作的时候可以只对元素所在的Segment进行加锁即可，不会影响到其他的Segment，ConcurrentHashMap提升了并发能力。
JDK8 ConcurrentHashMap
在JDK8ConcurrentHashMap内部机构：数组+链表+红黑树，Java 8在链表长度超过一定阈值(8)时将链表（寻址时间复杂度为O(N)）转换为红黑树（寻址时间复杂度为O(long(N)))，结构基本上与功能和JDK8的HashMap一样，只不过ConcurrentHashMap保证线程安全性。
但在JDK1.8中摒弃了Segment分段锁的数据结构，基于CAS操作保证数据的获取以及使用synchronized关键字对相应数据段加锁来实现线程安全，这进一步提高了并发性。（CAS原理详情《面试：为了进阿里，又把并发CAS（Compare and Swap）实现重新精读一遍》)
)）
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val; //使用了volatile属性
volatile Node<K,V> next; //使用了volatile属性
...
}ConcurrentHashMap采用Node类作为基本的存储单元，每个键值对(key-value)都存储在一个Node中，使用了volatile关键字修饰value和next，保证并发的可见性。其中Node子类有：
- ForwardingNode：扩容节点，只是在扩容阶段使用的节点，主要作为一个标记，在处理并发时起着关键作用，有了ForwardingNodes，也是ConcurrentHashMap有了分段的特性，提高了并发效率
- TreeBin：TreeNode的代理节点，用于维护TreeNodes，ConcurrentHashMap的红黑树存放的是TreeBin
- TreeNode：用于树结构中，红黑树的节点（当链表长度大于8时转化为红黑树），此节点不能直接放入桶内，只能是作为红黑树的节点
- ReservationNode：保留结点
ConcurrentHashMap中查找元素、替换元素和赋值元素都是基于sun.misc.Unsafe中原子操作实现多并发的无锁化操作。
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
return (Node<K,V>)U.getObjectAcquire(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
return U.compareAndSetObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
U.putObjectRelease(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}ConcurrentHashMap的put()方法
ConcurrentHashMap的put的流程步骤
- 如果key或者value为null，则抛出空指针异常，和HashMap不同的是HashMap单线程是允许为Null；
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); for的死循环，为了实现CAS的无锁化更新，如果table为null或者table的长度为0，则初始化table，调用
initTable()方法（第一次put数据，调用默认参数实现，其中重要的sizeCtl参数）。//计算索引的第一步，传入键值的hash值 int hash = spread(key.hashCode()); int binCount = 0; //保存当前节点的长度 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(); //初始化Hash表 ... }确定元素在Hash表的索引
通过hash算法可以将元素分散到哈希桶中。在ConcurrentHashMap中通过如下方法确定数组索引：
第一步：
static final int spread(int h) { return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS; }第二步：
(length-1) & (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS);通过
tableAt()方法找到位置tab[i]的Node,当Node为null时为没有hash冲突的话，使用casTabAt()方法CAS操作将元素插入到Hash表中，ConcurrentHashmap使用CAS无锁化操作，这样在高并发hash冲突低的情况下，性能良好。else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //利用CAS操作将元素插入到Hash表中 if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value))) break; // no lock when adding to empty bin(插入null的节点，无需加锁) }当f不为null时，说明发生了hash冲突，当f.hash == MOVED==-1 时，说明
ConcurrentHashmap正在发生resize操作,使用helpTransfer()方法帮助正在进行resize操作。else if ((fh = f.hash) == MOVED) //f.hash == -1 //hash为-1 说明是一个forwarding nodes节点，表明正在扩容 tab = helpTransfer(tab, f);以上情况都不满足的时，使用
synchronized同步块上锁当前节点Node,并判断有没有线程对数组进行了修改，如果没有则进行：- 遍历该链表并统计该链表长度
binCount，查找是否有和key相同的节点，如果有则将查找到节点的val值替换为新的value值，并返回旧的value值，否则根据key，value，hash创建新Node并将其放在链表的尾部 - 如果
Node f是TreeBin的类型，则使用红黑树的方式进行插入。然后则退出synchronized(f)锁住的代码块
//当前节点加锁 synchronized (f) { //判断下有没有线程对数组进行了修改 if (tabAt(tab, i) == f) { //如果hash值是大于等于0的说明是链表 if (fh >= 0) { binCount = 1; for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) { K ek; //插入的元素键值的hash值有节点中元素的hash值相同，替换当前元素的值 if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) //替换当前元素的值 e.val = value; break; } Node<K,V> pred = e; //如果循环到链表结尾还没发现，那么进行插入操作 if ((e = e.next) == null) { pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value); break; } } }else if (f instanceof TreeBin) { //节点为树 Node<K,V> p; binCount = 2; if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) //替换旧值 p.val = value; } } else if (f instanceof ReservationNode) throw new IllegalStateException("Recursive update"); } }- 遍历该链表并统计该链表长度
执行完
synchronized(f)同步代码块之后会先检查binCount,如果大于等于TREEIFY_THRESHOLD = 8则进行treeifyBin操作尝试将该链表转换为红黑树。if (binCount != 0) { //如果节点长度大于8,转化为树 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; }执行了一个
addCount方法,主要用于统计数量以及决定是否需要扩容.addCount(1L, binCount);
ConcurrentHashmap 不支持 key 或者 value 为 null 的原因？
ConcurrentHashmap和hashMap不同的是，concurrentHashMap的key和value都不允许为null，
因为concurrenthashmap它们是用于多线程的，并发的 ，如果map.get(key)得到了null，不能判断到底是映射的value是null,还是因为没有找到对应的key而为空，
而用于单线程状态的hashmap却可以用containKey（key） 去判断到底是否包含了这个null。
put()方法如何实现线程安全呢？
- 在第一次put数据时，调用
initTable()方法
/**
* Hash表的初始化和调整大小的控制标志。为负数，Hash表正在初始化或者扩容;
* (-1表示正在初始化,-N表示有N-1个线程在进行扩容)
* 否则，当表为null时，保存创建时使用的初始化大小或者默认0;
* 初始化以后保存下一个调整大小的尺寸。
*/
private transient volatile int sizeCtl;
//第一次put，初始化数组
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果已经有别的线程在初始化了，这里等待一下
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
//-1 表示正在初始化
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
...
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}使用sizeCtl参数作为控制标志的作用，当在从插入元素时，才会初始化Hash表。在开始初始化的时候，
- 首先判断
sizeCtl的值，如果sizeCtl < 0，说明有线程在初始化，当前线程便放弃初始化操作。否则，将SIZECTL设置为-1，Hash表进行初始化。 - 初始化成功以后，将
sizeCtl的值设置为当前的容量值
- 在不存在hash冲突的时
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//利用CAS操作将元素插入到Hash表中
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
break; // no lock when adding to empty bin(插入null的节点，无需加锁)
}(f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null中使用tabAt原子操作获取数组，并利用casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value))CAS操作将元素插入到Hash表中
- 在存在hash冲突时，先把当前节点使用关键字
synchronized加锁，然后再使用tabAt()原子操作判断下有没有线程对数组进行了修改，最后再进行其他操作。
为什么要锁住更新操作的代码块?
因为发生了哈希冲突，当前线程正在f所在的链表上进行更新操作，假如此时另外一个线程也需要到这个链表上进行更新操作，则需要等待当前线程更新完后再执行
//当前节点加锁
synchronized (f) {
//这里判断下有没有线程对数组进行了修改
if (tabAt(tab, i) == f) {
......//do something
}
}由于篇幅过于长，分成两部分来讲讲，接下来的内容请看[《面试：为了进阿里，死磕了ConcurrentHashMap源码和面试题(二)》]()
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