并发编程实践中，ConcurrentHashMap是一个经常被使用的数据结构，相比于Hashtable以及Collections.synchronizedMap()，ConcurrentHashMap在线程安全的基础上提供了更好的写并发能力，但同时降低了对读一致性的要求（这点好像CAP理论啊 O(∩_∩)O）。ConcurrentHashMap的设计与实现非常精巧，大量的利用了volatile，final，CAS等lock-free技术来减少锁竞争对于性能的影响，无论对于Java并发编程的学历还是Java内存模型的理解，ConcurrentHashMap的设计以及源码都值得非常仔细的阅读与揣摩。
这篇日志记录了自己对ConcurrentHashMap的一些理解，基于JDK1.7源码（ConcurrentHashMap在JDK 1.6、1.7以及最新的1.8版本中实现都有不同）。
设计思路
ConcurrentHashMap采用了分段锁的设计，只有在同一个分段内才存在竞态关系，不同的分段锁之间没有锁竞争。相比于对整个Map加锁的设计，分段锁大大的提高了高并发环境下的处理能力。但同时，由于不是对整个Map加锁，导致一些需要扫描整个Map的方法（如size(), containsValue()）需要使用特殊的实现，另外一些方法（如clear()）甚至放弃了对一致性的要求。
ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock。ConcurrentHashMap中的HashEntry相对于HashMap中的Entry有一定的差异性：HashEntry中的value以及next都被volatile修饰，这样在多线程读写过程中能够保持它们的可见性，代码如下：
staticfinalclassHashEntry {
finalinthash;
finalK key;
volatileV value;
volatileHashEntry next;
}
并发度（Concurrency Level）
并发度可以理解为程序运行时能够同时更新ConccurentHashMap且不产生锁竞争的最大线程数，实际上就是ConcurrentHashMap中的分段锁个数，即Segment[]的数组长度。ConcurrentHashMap默认的并发度为16，但用户也可以在构造函数中设置并发度。当用户设置并发度时，ConcurrentHashMap会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度（假如用户设置并发度为17，实际并发度则为32）。运行时通过将key的高n位（n = 32 – segmentShift）和并发度减1（segmentMask）做位与运算定位到所在的Segment。segmentShift与segmentMask都是在构造过程中根据concurrency level被相应的计算出来。
如果并发度设置的过小，会带来严重的锁竞争问题；如果并发度设置的过大，原本位于同一个Segment内的访问会扩散到不同的Segment中，CPU cache命中率会下降，从而引起程序性能下降。
创建分段锁
和JDK1.6不同，JDK1.7中除了第一个Segment之外，剩余的Segments采用的是延迟初始化的机制：每次put之前都需要检查key对应的Segment是否为null，如果是则调用ensureSegment()以确保对应的Segment被创建。
ensureSegment可能在并发环境下被调用，但与想象中不同，ensureSegment并未使用锁来控制竞争，而是使用了Unsafe对象的getObjectVolatile()提供的原子读语义结合CAS来确保Segment创建的原子性。代码段如下：
if((seg = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) ==null) {// recheck
Segment s =newSegment(lf, threshold, tab);
while((seg = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) ==null) {
if(UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u,null, seg = s))
break;
}
}
}
put/putIfAbsent/putAll
和JDK1.6一样，ConcurrentHashMap的put方法被代理到了对应的Segment（定位Segment的原理之前已经描述过）中。与JDK1.6不同的是，1.7版本的ConcurrentHashMap在获得Segment锁的过程中，做了一定的优化 - 在真正申请锁之前，put方法会通过tryLock()方法尝试获得锁，在尝试获得锁的过程中会对对应hashcode的链表进行遍历，如果遍历完毕仍然找不到与key相同的HashEntry节点，则为后续的put操作提前创建一个HashEntry。当tryLock一定次数后仍无法获得锁，则通过lock申请锁。
需要注意的是，由于在并发环境下，其他线程的put，rehash或者remove操作可能会导致链表头结点的变化，因此在过程中需要进行检查，如果头结点发生变化则重新对表进行遍历。而如果其他线程引起了链表中的某个节点被删除，即使该变化因为是非原子写操作（删除节点后链接后续节点调用的是Unsafe.putOrderedObject()，该方法不提供原子写语义）可能导致当前线程无法观察到，但因为不影响遍历的正确性所以忽略不计。
之所以在获取锁的过程中对整个链表进行遍历，主要目的是希望遍历的链表被CPU cache所缓存，为后续实际put过程中的链表遍历操作提升性能。
在获得锁之后，Segment对链表进行遍历，如果某个HashEntry节点具有相同的key，则更新该HashEntry的value值，否则新建一个HashEntry节点，将它设置为链表的新head节点并将原头节点设为新head的下一个节点。新建过程中如果节点总数（含新建的HashEntry）超过threshold，则调用rehash()方法对Segment进行扩容，最后将新建HashEntry写入到数组中。
put方法中，链接新节点的下一个节点（HashEntry.setNext()）以及将链表写入到数组中（setEntryAt()）都是通过Unsafe的putOrderedObject()方法来实现，这里并未使用具有原子写语义的putObjectVolatile()的原因是：JMM会保证获得锁到释放锁之间所有对象的状态更新都会在锁被释放之后更新到主存，从而保证这些变更对其他线程是可见的。
rehash
相对于HashMap的resize，ConcurrentHashMap的rehash原理类似，但是Doug Lea为rehash做了一定的优化，避免让所有的节点都进行复制操作：由于扩容是基于2的幂指来操作，假设扩容前某HashEntry对应到Segment中数组的index为i，数组的容量为capacity，那么扩容后该HashEntry对应到新数组中的index只可能为i或者i+capacity，因此大多数HashEntry节点在扩容前后index可以保持不变。基于此，rehash方法中会定位第一个后续所有节点在扩容后index都保持不变的节点，然后将这个节点之前的所有节点重排即可。这部分代码如下：
HashEntry lastRun = e;
intlastIdx = idx;
for(HashEntry last = next; last !=null; last = last.next) {
intk = last.hash & sizeMask;
if(k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
newTable[lastIdx] = lastRun;
// Clone remaining nodes
for(HashEntry p = e; p != lastRun; p = p.next) {
V v = p.value;
inth = p.hash;
intk = h & sizeMask;
HashEntry n = newTable[k];
newTable[k] =newHashEntry(h, p.key, v, n);
}
remove
和put类似，remove在真正获得锁之前，也会对链表进行遍历以提高缓存命中率。
get与containsKey
get与containsKey两个方法几乎完全一致：他们都没有使用锁，而是通过Unsafe对象的getObjectVolatile()方法提供的原子读语义，来获得Segment以及对应的链表，然后对链表遍历判断是否存在key相同的节点以及获得该节点的value。但由于遍历过程中其他线程可能对链表结构做了调整，因此get和containsKey返回的可能是过时的数据，这一点是ConcurrentHashMap在弱一致性上的体现。如果要求强一致性，那么必须使用Collections.synchronizedMap()方法。
size、containsValue
这些方法都是基于整个ConcurrentHashMap来进行操作的，他们的原理也基本类似：首先不加锁循环执行以下操作：循环所有的Segment（通过Unsafe的getObjectVolatile()以保证原子读语义），获得对应的值以及所有Segment的modcount之和。如果连续两次所有Segment的modcount和相等，则过程中没有发生其他线程修改ConcurrentHashMap的情况，返回获得的值。
当循环次数超过预定义的值时，这时需要对所有的Segment依次进行加锁，获取返回值后再依次解锁。值得注意的是，加锁过程中要强制创建所有的Segment，否则容易出现其他线程创建Segment并进行put，remove等操作。代码如下：
for(int j =0; j < segments.length; ++j)
ensureSegment(j).lock();// force creation
一般来说，应该避免在多线程环境下使用size和containsValue方法。
注1：modcount在put, replace, remove以及clear等方法中都会被修改。
注2：对于containsValue方法来说，如果在循环过程中发现匹配value的HashEntry，则直接返回true。
最后，与HashMap不同的是，ConcurrentHashMap并不允许key或者value为null，按照Doug Lea的说法，这么设计的原因是在ConcurrentHashMap中，一旦value出现null，则代表HashEntry的key/value没有映射完成就被其他线程所见，需要特殊处理。在JDK1.6中，get方法的实现中就有一段对HashEntry.value == null的防御性判断。但Doug Lea也承认实际运行过程中，这种情况似乎不可能发生（参考：http://cs.oswego.edu/pipermail/concurrency-interest/2011-March/007799.html）。
