前言
又是有一段时间没写过Java相关的东西了。本来是想返璞归真一把，聊聊HashMap的，但HashMap的内容太多，写它的大佬也实在太多，并且不乏好文章。就算只读其他大作（如美团技术团队的《Java 8系列之重新认识HashMap》），配合自己研究代码，相信所有人都能理解，所以作罢。
我们知道，HashMap是无法保证线程安全性的，如果在并发环境下插入一个HashMap，哈希桶数组扩容时，有可能会造成链表出现环（美团技术的文章有详解）。若要保证线程安全性，就得使用ConcurrentHashMap。而ConcurrentHashMap在JDK 7和JDK 8中的锁机制设计有相当大的区别，本文来简单谈谈（其实也是老生常谈了
CHM in JDK 7
JDK 7版CHM使用Segment与HashEntry两种数据结构，示意图如下。
可见，整个CHM存储空间被划分成16个Segment，每个Segment内又包含0到多个HashEntry的单链表（有一个HashEntry数组存储链表头节点），每个链表就是一个哈希桶。HashEntry内存储具体的键值及哈希码。
Segment内部类继承自ReentrantLock，因此习惯将JDK 7 CHM的这种思路称作“锁分段技术”——在CHM内数据分布均匀的情况下，每一把Segment锁只会负责1/16部分数据的同步。当多线程同时写入CHM时（读取不用加锁），如果数据落到不同的Segment上，就不会造成锁的竞争，提升了并发访问的效率。
以下是Segment.put()方法的源码。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
e = e.next;
}
else {
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
具体的插入过程就不提了，注意区分插入的桶位置存在与不存在HashEntry（即是否发生了哈希冲突）的两种情况，以及头插法、扩容操作就行，下面看看与锁相关的部分。
线程进入put()方法时，会首先调用ReentrantLock.tryLock()方法试图获取锁。如果未能获取到锁（被其他线程持有中），就调用scanAndLockForPut()方法，其源码如下。
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
while (!tryLock()) {
HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
if (retries < 0) {
if (e == null) {
if (node == null) // speculatively create node
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
retries = 0;
}
else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
else
e = e.next;
}
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
lock();
break;
}
else if ((retries & 1) == 0 &&
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1;
}
}
return node;
}
可见是自旋执行tryLock()方法获取锁，最多会重试MAX_SCAN_RETRIES（多核环境下为64）次。如果重试达到上限还未成功，就直接调用lock()方法阻塞，等待锁被其他线程释放。注意在重试的最后会检测对应的HashEntry是否发生了变化，如果变化了，会重新开始自旋。
关于(retries & 1) == 0这句话是怎么来的，可以参见Doug Lea本人的解答。
本线程插入完毕之后，调用ReentrantLock.unlock()方法释放锁，同时唤醒AQS队列中阻塞着的下一个线程（如果有的话）进行插入操作，执行完毕。
CHM in JDK 8
JDK 8版CHM使用与HashMap相同的数据结构，即哈希桶数组（Node[]）+链表或红黑树，示意图如下。
虽然JDK 8的CHM源码里还保留着Segment的定义，但已经不再使用了。
以下则是插入数据的核心方法putVal()的源码。
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;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
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);
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
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;
}
该方法的步骤简述如下：
- 计算key的哈希码；
- 检查哈希桶数组是否为空，若为空，调用initTable()方法初始化；
- 调用tabAt()方法获得哈希码对应到哈希桶数组的下标，并获取该桶的头结点f；
- 若f为空（即为空桶），调用casTabAt()方法，通过CAS操作（Unsafe.compareAndSwapObject()）将新元素插入为头节点。若CAS失败，说明有并发操作，重试之；
- 若f不为空，但是其hash值为MOVED（即-1），说明其他线程触发了扩容操作，调用helpTransfer()方法参与扩容；
- 若均不符合4和5步骤的条件，说明可以正常插入，用synchronized关键字在f上加锁，并在对应桶的链表或红黑树上插入新元素；
- 最后判断是否要将链表转换为红黑树，如果需要，调用treeifyBin()方法转换之。
通过上面的分析，我们可以总结出，JDK 8的CHM用CAS和synchronized替代了JDK 7中的分段ReentrantLock。
这种“进化”有什么好处呢？
其一，锁分离的粒度细化了，从Segment级别细化到了哈希桶级别。也就是说，在插入元素不发生哈希冲突的情况下，就不必加锁。
其二，在插入桶的头结点时使用无锁的CAS操作，效率很高。
其三，虽然我们也可以让Node类继承ReentrantLock并执行f.lock()/unlock()操作，但从JDK 6开始，JVM对内置的synchronized关键字做了大量优化，synchronized不再是重量级锁的代名词，而是会由无锁状态开始，随着并发程度的提升而膨胀成偏向锁、轻量级锁，再到重量级锁（其中包含适应性自旋过程）。在锁粒度细化的前提下，发生争用的概率降低，synchronized膨胀成重量级锁的机会也不多，故可以省去线程被挂起和唤醒（上下文切换）的大量开销。
The End
明天早起搬砖，民那晚安晚安。
