HashMap和concurrentHashMap解析

HashMap1.7

HashMap是非線程安全的，不支持併發操作，其實現比較簡單。先來看下JDK1.7中HashMap的結構圖

HashMap裏面是一個數組，數組中的每個元素是一個Entry對象，每個Entry對象的next屬性指向下一個Entry。構成一個單向鏈表。Entry類如下：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;//存儲指向下一個Entry的引用，單向鏈表結構
        int hash;//對key的hashcode值進行hash運算後得到的值，存儲在Entry中

}

如圖所示，數組table中存放的每個元素是Entry的實例，爲單向鏈表的頭結點。

put值過程

1. 插入第一個元素的時候，初始化Entry數組。
2. 通過hash運算獲取key的hash值，通過hash值找到元素在數組中的位置，遍歷該位置上的鏈表，如果存在重複key，直接覆蓋，put方法就結束了。
3. 如果不存在重複key，就需要將Entry添加到鏈表中，在將Entry節點添加到鏈表之前，先判斷數組大小是否已經到達了閾值（數組容量*0.75），如果需要擴容，先進行擴容，擴容後數組大小爲原來的2倍。擴容的過程，就是用一個新的數組替換原來的數組。然後重新計算hash值，並重新定位元素在數組中的位置。
4. 將新增的Entry節點插入到數組相應下標位置處鏈表的表頭。

get過程

• 根據key值計算hash值，根據hash值找到數組下標。從頭開始遍歷下標位置處的Entry鏈表，直到找到相等的key。

ConcurrentHashMap1.7

首先來看下一些ConcurrentHashMap1.7的結構圖：

ConcurrentHashMap1.7中是一個Segment數組，數組中每個元素上存放的是一個Segment實例，而Segment內部是由數組+鏈表組成的。即Segment中包含一個HashEntry數組，而HashEntry又是一個鏈表結構的元素。

在ConcurrentHashMap1.7中，Segment通過繼承ReentrantLock的方式來加鎖。Segment又稱之爲分段鎖。ConcurrentHashMap1.7中的是一個Segment數組，每次加鎖的時候，鎖住的是一個Segment對象。也就是說每個Segment都是線程安全的，這樣就實現了全局的線程安全性。

ConcurrentHashMap1.7中有個並行級別（concurrencyLevel）的概念，並行級別默認值爲16，代表的是ConcurrentHashMap有16個Segment，理論上講可以支持16個線程併發寫入。並行級別這個值在初始化的時候可以指定值，但是一旦初始化後，就不能改變了。

ConcurrentHashMap在初始化的時候，會對並行級別進行賦值，根據這個map的容量和Segment的數量計算每個Segment可以分配到元素的大小。再對Segment[0]進行初始化。Segment數組中其它位置還是null。

Put值過程

1. 根據key獲取hash值，找到在Segment數組中的下標位置。初始化下標位置的Segment對象，初始化Segment對象這一步可能出現併發安全問題，因爲可能會出現多個線程同時初始化Segment數組中同一位置。這裏使用CAS操作初始化Segment對象和它內部的HashEntry數組。準備將值寫入到Segment中，Segment內部是由數組+鏈表組成
2. 在寫入Segment之前，先使用tryLock()嘗試快速獲取該Segment的獨佔鎖。如果tryLock失敗，那麼在循環中執行tryLock，直到成功獲取該Segment的獨佔鎖。
3. 獲取到Segment獨佔鎖後，根據key的hash值獲取新增元素在Segment內部的HashEntry數組中下標位置。將新值設置爲HashEntry鏈表的表頭，如果超過了閾值，需要進行擴容後，重新計算下標位置，再寫入值，最好會釋放鎖。擴容操作是對segment內部的HashEntry數組進行擴容，容量擴大爲2倍，將原數組中的鏈表拆分的新數組中，此時的操作是持有Segment獨佔鎖的，不需要考慮併發問題。

get過程

• 根據hash值找到Segment數組中的下標位置。遍歷鏈表直到找到key值相同的元素。get的過程是沒有加鎖的。

HashMap1.8

HashMap1.8和HashMap1.7最大的不同在於引入了紅黑樹，由數組+鏈表+紅黑樹組成。

在HashMap1.7中，查找元素的時候，首先需要根據hash值定位到數組的下標，再從鏈表的頭節點挨個遍歷，一個一個找下去，知道找到符合條件的記錄。隨着鏈表的長度的增加，查找起來更耗費時間。爲了解決這個問題，JAVA8中引入了紅黑樹，當鏈表中的元素到達8個時，會將鏈表結構轉換爲紅黑樹，減少查找的時間。

Put值過程

1. 插入第一個元素的時候，會執行resize()，對數組進行初始化。
2. 根據key的hash值找到數組下標的位置，如果該位置上沒有元素，初始化node，放到這個位置上就好了。
3. 如果下標位置上有元素，那麼判斷該位置上第一個節點是紅黑樹結構還是鏈表結構。如果是紅黑樹結構，插入到紅黑樹中。如果是鏈表結構，插入到鏈表的最後面（注意：hashMap1.7是插入到鏈表的最前面）。如果插入的node爲鏈表中的第8個，將鏈表轉換成紅黑樹結構。
4. 如果插入新的值導致HashMap的大小超過閾值，需要進行擴容。（注意：HashMap1.8中是先插入值再擴容，HashMap1.7中是先擴容再插入值）。將數組擴容2倍後，再初始化新的數組。將鏈表中的節點，拆成兩個鏈表，放到新數組中。

get過程

• 根據key的hash值找到對應數組下標，判斷是紅黑樹結構還是鏈表結構，如果是紅黑樹結構，使用紅黑樹的方式查找。如果是鏈表結構，從頭節點開始遍歷鏈表，直到找到key相等的元素。

ConcurrentHashMap1.8

ConcurrentHashMap1.8結構上和HashMap1.8大致相同，因爲要保證線程安全，實現上要複雜許多。

Put值過程

1. 根據key獲取hash值，如果數組table爲空，對數組進行初始化。找到Hash值對應的下標，找到頭節點，如果該位置上沒有元素，那麼使用CAS操作將新的值放到這個位置上作爲頭節點就好了，如果CAS失敗，說明有併發，進入下一輪循環。
2. 如果是數組正在擴容，那麼多線程協助擴容，完成數據遷移。
3. 如果key值對應的下標位置有元素，使用Synchronized獲取數組該位置頭節點的對象監視器，對這個頭節點進行加鎖。如果是鏈表結構，將新值插入到鏈表的最後面。如果是紅黑樹結構，調用紅黑樹插入新值的方法。如果是鏈表插入完成後，還會判斷是否需要將鏈表轉成紅黑樹，這裏跟HashMap1.8有一點點不同，HashMap中是鏈表長度到達閾值8就轉換成紅黑樹，這裏轉紅黑樹的條件是鏈表長度到達閾值8且當前數組的長度大於等於64，否則進行數組擴容。這裏的轉紅黑樹也要考慮線程安全問題，所以依舊是使用Synchronize對頭節點做加鎖處理。
4. ConcurrentHashMap1.8的精髓在於它的擴容遷移操作，這裏的擴容也是2倍。但是這裏的擴容操作支持多線程執行，它將數據遷移的操作拆分成了n個小任務，充分利用併發的特性，線程來了後幫忙一起遷移數據。這裏使用CAS+Synchronized的方式來保證每個線程完成屬於自己的任務。

get過程

• 根據hash值找到數組下標位置，如果該位置上的節點正好就是所需要的，直接返回節點的值。如果頭節點的hash值小於0說明正在擴容或者是紅黑樹結構。如果是鏈表結構從頭結點開始遍歷鏈表，找出key值相等的返回結果。