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虚度年华浮萍于世，勤学善思至死不渝
前言
Hey，欢迎阅读Connor学Java系列，这个系列记录了我的Java基础知识学习、复盘过程，欢迎各位大佬阅读斧正！原创不易，转载请注明出处：http://t.csdn.cn/h86q2，话不多说我们马上开始！
JDK8中的ConcurrentHashMap是如何保证线程安全的？
实现原理
public class ConcurrentHashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
// 可用处理器数量
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
// 存放node的数组
transient volatile Node<K,V>[] table;
// 控制标识符
private transient volatile int sizeCtl;
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
// val和next都会在扩容时发生变化，所以加上volatile来保持可见性和禁止重排序
volatile V val; // get操作全程不需要加锁是因为Node的成员val是用volatile修饰
volatile Node<K,V> next; // 表示链表中的下一个节点，数组用volatile修饰主要是保证在数组扩容的时候保证可见性
}
}
相比JDK7做了如下修改
（1）取消了Segments，直接采用transient volatile HashEntry<K,V>[] table保存数据，采用table数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，并发控制使用Synchronized和CAS来操作
（2）将原先table数组＋单向链表的数据结构，变更为table数组＋单向链表＋红黑树的结构，与HashMap一样，当链表长度大于8且数组长度大于64时，链表将转换为红黑树，相反，若红黑树上的元素个数减少到6时，就会退化为链表
（3）增加控制标识符，用来控制table的初始化和扩容操作
- 当为负数时，-1代表正在初始化，-n代表有n-1个线程正在扩容
- 当为0时，代表当前table还没有被初始化
- 当为正数时，其数值表示初始化或下一次进行扩容的大小，相当于threshold
初始化时的线程安全
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
// 计算key的hash值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 如果table是空，初始化之
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
...
}
...
}
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
// (0)
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// (1)
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
// 尝试原子性的将指定对象(this)的内存偏移量为SIZECTL的int变量值从sc更新为-1
// 也就是将成员变量sizeCtl的值改为-1
// (2)
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
// (3)
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY; // 默认初始容量为16
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
// (4)
table = tab = nt; // 创建hash表，并赋值给成员变量table
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
// (5)
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
（1）sizeCtl < 0，说明当前有其他线程，将当前线程变为就绪状态
（2）sizeCtl >= 0，当前线程通过CAS的方式(实现方式见注释，此处不详细介绍)尝试将sizeCtl修改为-1
- 修改失败，进入下一轮循环，sizeCtl < 0，回到就绪状态继续等待
- 修改成功，继续执行
（3）双重检验：在new Node[]之前，要再检查一遍table是否为空，因为如果另一个线程执行完代码// (0)后挂起，此时另一个初始化的线程执行完了(5)的代码，此时sizeCtl是一个大于0的值，那么再切回这个线程执行的时候，是有可能重复初始化的。
（4）指定数组容量，重新计算sizeCtl，完成初始化
put方法的线程安全
hash表对应index为空
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 初始化
...
// hash表对应index为空
// (1)
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
// (2)
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)
tab = helpTransfer(tab, f);
// hash表对应index不为空
else {
...
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
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);
}
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);
}
（1）tabAt方法通过Unsafe.getObjectVolatile()的方式获取数组对应index上的元素，getObjectVolatile作用于对应的内存偏移量上，是具备volatile内存语义的
（2）如果获取的是空，尝试用cas的方式在数组的指定index上创建一个新的Node
hash表对应index不为空(发生散列冲突)
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 初始化
...
// hash表对应index为空
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
...
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
// hash表对应index不为空
else {
V oldVal = null;
// (1)
synchronized (f) {
// (2)
if (tabAt(tab, i) == f) {
// (3)
if (fh >= 0) {
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) {
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) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
（1）锁f在上述的情况中获取，即发生冲突时，会以链表的头节点作为锁
（2）保证扩容等过程没有对table数组产生影响，导致原来的index上的Node改变，否则之前的f锁将失去意义
（3）确保put没有与扩容同时进行，fh = -1表示正在扩容
上述就是有关保证线程安全的操作，后续put实现参考HashMap，包括链表、红黑树的操作和转换等
transfer扩容的线程安全
在上面put源码分析的最后调用了addCount方法，这个方法用于统计hash表中元素的个数，如果超过了阈值sizeCtl，扩容
transient volatile Node<K,V>[] table;
// 扩容时才使用的hash表，扩容完成后赋值给table，并将nextTable重置为null
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
private final void addCount(long x, int check) {
// 计算键值对的个数
// (1)
CounterCell[] as; long b, s;
if ((as = counterCells) != null || !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
CounterCell a; long v; int m;
boolean uncontended = true;
if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 || (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null || !(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
fullAddCount(x, uncontended);
return;
}
if (check <= 1)
return;
s = sumCount();
}
// 判断是否需要扩容
if (check >= 0) {
Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
// (2)
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null && (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
int rs = resizeStamp(n);
// (2)
if (sc < 0) {
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 || sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null || transferIndex <= 0)
break;
// (2) - 1
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
// (2) - 2
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
s = sumCount();
}
}
}
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE;
// 对应上述(2) - 2的情况
if (nextTab == null) {
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 初始化新的hash表，大小为之前的2倍，并赋值给成员变量nextTable
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) {
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;
}
// (3)
int nextn = nextTab.length;
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
else if (U.compareAndSwapInt(this, TRANSFERINDEX, nextIndex, nextBound = (nextIndex > stride ? nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
// (4)
if (finishing) {
nextTable = null;
table = nextTab;
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
return;
}
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
finishing = advance = true;
i = n;
}
}
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
// (5)
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
if (fh >= 0) {
...
}
else if (f instanceof TreeBin) {
...
}
}
}
}
}
}
（1）统计hash表中的键值对个数
（2）若键值对个数的值大于sizeCtl(这里需要注意，结合之间对sizeCtl含义的讨论，只要不是键值对个数小于sizeCtl，都是需要考虑扩容的情况)，在根据sizeCtl的正负进行讨论
- sizeCtl < 0，说明当前有多个进程并发进行扩容操作，调用transfer(tab, nt)，直接使用正在扩容的新hash表，保证不会出现被覆盖的情况
- sizeCtl > 0，此时为没有并发扩容的情况，transfer中会new一个新的hash表来扩容，大小为原来的2倍
（3）完成扩容后hash表中元素的迁移操作
（4）扩容完成时，将成员变量nextTable置为null，并将table替换为rehash后的nextTable
（5）遍历每个链表或红黑树，对每个元素进行rehash操作，将链表头节点或红黑树的根节点作为锁，防止扩容时进行put操作
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