ConcurrentHashMap逻辑整理（一）

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#java

本文详细解析了ConcurrentHashMap的内部工作原理，包括其数组全局唯一性、懒加载模式、线程安全的put操作、扩容流程、协助扩容以及高效的查询策略，特别强调了红黑树的使用和维护平衡的重要性。

ConcurrentHashMap数组全局唯一，采用懒加载模式初始化。
一般项目中是用ConcurrentHashMap，都是作为JVM缓存使用的
key和value都不能为null

put操作：

将key进行hash运算，计算出hash值，然后基于这个hash值确定数据存放的索引位置
查看COncurrentHashMap的数组是否已经初始化，（数组全局唯一，懒加载，DCL保证线程安全）
– 初始化就继续尝试存放数据
– 没初始化，先尝试将数组new出来
基于hash值，确定数据存放位置
– 如果数组索引位置没有数据，将当前数据扔进去。有限将key-value封装为一个Node对象，这里为了保证线程安全，直接采用CAS的方式将当前索引位置的null替换为指定的Node数据
如果CAS成功，循环结束
如果CAS失败，重走循环，从第2步开始
如果数组索引位置有数据，查看当前数组的状态是否是扩容的情况 MOVED(hash=-1)
– 如果正在扩容，单签线程去帮助扩容，加快扩容速度，协助扩容结束后，重新走循环
如果数组索引位置有数据，且没有在扩容影响到当前线程
– 加锁，基于数组索引位置的Node对象作为synchronized的锁
– 循环将数据挂到链表的末端
数据添加到链表后，查看链表长度是否达到了8，达到了8个，就需要尝试链表转红黑树（ConcurrentHashMap要求必须数组长度 >= 64 且链表长度达到8才会转换，如果数组长度未达到64，会有限扩容数组）
– 将数据添加到红黑树结构中 TREEBIN(hash=-2)
循环结束
需要记录元素个数，为了保证线程安全，这里采用LongAdder做计数器。（LongAdder比ActomicLong的效率高）
添加结束

扩容流程&协助扩容

ConcurrentHashMap扩容只有两件事：

构建新数组，长度是老数组长度的2倍（new）
将老数组中的数据迁移到新数组中

有一个属性可以区分扩容线程和协助扩容线程

private transient volatile int sizeCtl;

第一个来扩容的线程，会优先修改sizeCtl的值，将其修改为一个小于-1的值。
其他所有来协助扩容的线程，发现sizeCtl小于-1，直接对sizeCtl做 +1 操作，代表我来扩容了。修改sizeCtl的操作是基于CAS的。

扩容的线程是来初始化新数组的，并且做迁移数据的操作。
协助扩容的线程是来帮忙进行数据迁移的，不会做数组初始化。

整体扩容流程

计算每次迁移多长索引位置的数据到新数组（步长，将老数组数据分成n段，每次迁移一段），会根据CPU内核数和数组长度来计算，最小是16。
会由扩容线程。来初始化新数组，长度是原来的2倍。
扩容线程和协助扩容线程开始领取迁移任务。领取到任务的准备干活，没领取到任务的可以退出扩容。
没领取到任务的线程可以退出扩容，但是退出前，查看下扩容结束了没
结束了，说明当前线程是最后一个退出扩容的线程，整体再检查一遍。
没结束，sizeCtl-1，退出
迁移数据操作，在迁移任务中某一个索引位置是，会由不同情况
当前位置没有数据，直接扔一个MOVED（hash = -1）
当前索引位置是moved，啥也不做。
当前位置有数据，锁住当前位置
链表迁移到新数组，
红黑树迁移到新数组（红黑树保留一个双向链表，利用双向链表迁移数据）

查询

ConcurrentHashMap本来就是作为JVM缓存使用的，对查询速度要求极高，所以查询永远不会泽色，无论什么情况，都能去查询数据。

查询数据的操作有以下几种情况：

数据在数组上，查询到即返回
数据在链表上，next遍历查找，找到返回
数据在红黑树上
- 如果此时有写线程在操作红黑树或者等待操作红黑树，那么读线程会去查询保留的双向链表
- 如果此时没有写线程在操作或等待操作红黑树，直接去红黑树中找数据。如果此时有写线程想操作红黑树，那么需要等到读线程完毕后，才可以操作。
如果数组上的Node是MOVED状态，代表数据已经迁移到新数组上了，直接去新数组上去查询数据
如果数组上的Node是REVERSED状态，代表当前位置被占了，但是value还在计算中，返回null

红黑树是一个平衡的二叉树，怎么保持平衡的？
为了保证平衡，写操作可能会旋转某个节点，导致节点的指针发生变化。如果此时读线程在红黑树中遍历找数据，结果写线程改变了红黑树的指针，导致无法找到对应的数据。

有一个属性标识该树节点正在被读或者被写入

volatile int lockState;
// values for lockState
static final int WRITER = 1; // set while holding write lock
static final int WAITER = 2; // set when waiting for write lock
static final int READER = 4; // increment value for setting read lock，每次加4，>= 4 就是正在被读取