java concurrentMap深入理解

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daleiwang 2024-10-30 06:39:30

文章标签 java 数据结构与算法初始化数组结点 文章分类 Java 后端开发

简介
JDK1.7
JDK1.8

重要属性

Node类
ForwardingNode类

原子操作和Unsafe类
重要方法

初始化表操作(initTable)
插入键值对(put和putVal)
helpTransfer
扩容操作（transfer）
addCount()

总结
Reference

简介

由于HashMap是非线程安全的，而且HashTable和Collections.synchronizedMap()的效率很低（基本上是对读写操作加锁，一个线程在使用，其他线程必须等待）。因此可以使用并发安全的ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap的实现原理和HashMap有很多相似之处，所以看了HashMap的源码后对于理解ConcurrentHashMap有很大的好处。

JDK1.7

ConcurrentHashMap采用 分段锁(Segments) 的机制，底层采用数组+链表的存储结构。

Segments继承了 ReentrantLock 用来充当锁的角色，每个Segment保护哈希表(table[])的若干个桶(HashBucket)。

java concurrentMap深入理解_数组

JDK1.8

JDK1.8已经不使用分段锁机制来保证并发安全了，而是使用 CAS+Synchronized 来保证，底层使用数组+链表+红黑树的存储结构（类似于HashMap的改变）。

重要属性

以下是一些会用到的属性，部分在HashMap已经出现过。

其中比较重要的是 sizeCtl，这个标志控制了很多状态。

/ 最大容量
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

// 默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;

// 并发级别,主要是为了兼容之前的版本
private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

// 负载因子
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
 * The number of bits used for generation stamp in sizeCtl.
 * Must be at least 6 for 32bit arrays.
 */
private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;

/**
 * The maximum number of threads that can help resize.
 * Must fit in 32 - RESIZE_STAMP_BITS bits.
 */
private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;

/**
 * The bit shift for recording size stamp in sizeCtl.
 */
private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;

/*
 * Encodings for Node hash fields. See above for explanation.
 * 某些结点的hash值,在之后用这些去判断某个结点的类型
 */
static final int MOVED     = -1; // hash for forwarding nodes
static final int TREEBIN   = -2; // hash for roots of trees
static final int RESERVED  = -3; // hash for transient reservations
static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal node hash


// 哈希表数组,在第一次插入的时候才初始化,大小是2的幂,有volatile修饰
transient volatile Node<K,V>[] table;

// 扩容时使用,用来取代旧的table数组,有volatile修饰
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;

// 记录容器容量大小
private transient volatile long baseCount;

// -1是在初始化,-n表示有(n-1)个线程在扩容,等于0为默认值，大于0表示扩容阈值
private transient volatile int sizeCtl;

// 需要遍历的下标
private transient volatile int transferIndex;

/**
 * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating CounterCells.
 */
private transient volatile int cellsBusy;

// 在高并发时候把对单个值的更新转化为数组上的更新，降低并发争用
private transient volatile CounterCell[] counterCells;

// views
private transient KeySetView<K,V> keySet;
private transient ValuesView<K,V> values;
private transient EntrySetView<K,V> entrySet;
/ 最大容量
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

// 默认初始容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;

// 并发级别,主要是为了兼容之前的版本
private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

// 负载因子
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
 * The number of bits used for generation stamp in sizeCtl.
 * Must be at least 6 for 32bit arrays.
 */
private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;

/**
 * The maximum number of threads that can help resize.
 * Must fit in 32 - RESIZE_STAMP_BITS bits.
 */
private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;

/**
 * The bit shift for recording size stamp in sizeCtl.
 */
private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;

/*
 * Encodings for Node hash fields. See above for explanation.
 * 某些结点的hash值,在之后用这些去判断某个结点的类型
 */
static final int MOVED     = -1; // hash for forwarding nodes
static final int TREEBIN   = -2; // hash for roots of trees
static final int RESERVED  = -3; // hash for transient reservations
static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal node hash


// 哈希表数组,在第一次插入的时候才初始化,大小是2的幂,有volatile修饰
transient volatile Node<K,V>[] table;

// 扩容时使用,用来取代旧的table数组,有volatile修饰
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;

// 记录容器容量大小
private transient volatile long baseCount;

// -1是在初始化,-n表示有(n-1)个线程在扩容,等于0为默认值，大于0表示扩容阈值
private transient volatile int sizeCtl;

// 需要遍历的下标
private transient volatile int transferIndex;

/**
 * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating CounterCells.
 */
private transient volatile int cellsBusy;

// 在高并发时候把对单个值的更新转化为数组上的更新，降低并发争用
private transient volatile CounterCell[] counterCells;

// views
private transient KeySetView<K,V> keySet;
private transient ValuesView<K,V> values;
private transient EntrySetView<K,V> entrySet;

Node类

这里的Node类不允许直接setValue()，并且val和next使用了volatile修饰保证了可见性。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    // 使用volatile保证可见性
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }

    public final K getKey()       { return key; }
    public final V getValue()     { return val; }
    public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }
    public final String toString(){ return key + "=" + val; }
    // 不允许直接setValue
    public final V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;
        return ((o instanceof Map.Entry) &&
                (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&
                (v = e.getValue()) != null &&
                (k == key || k.equals(key)) &&
                (v == (u = val) || v.equals(u)));
    }

    // 辅助map.get()操作
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        Node<K,V> e = this;
        if (k != null) {
            do {
                K ek;
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
        return null;
    }
}
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    // 使用volatile保证可见性
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }

    public final K getKey()       { return key; }
    public final V getValue()     { return val; }
    public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }
    public final String toString(){ return key + "=" + val; }
    // 不允许直接setValue
    public final V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;
        return ((o instanceof Map.Entry) &&
                (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&
                (v = e.getValue()) != null &&
                (k == key || k.equals(key)) &&
                (v == (u = val) || v.equals(u)));
    }

    // 辅助map.get()操作
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        Node<K,V> e = this;
        if (k != null) {
            do {
                K ek;
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
        return null;
    }
}

ForwardingNode类

这个类对于ConcurrentHashMap很重要，是实现并发的核心之一。

这个类是用来标识table[]上的Node的，当表上的结点是 ForwardingNode 类时，说明这个结点已经被复制了，不需要再对这个结点进行操作了。

在后面很多方法中都有这个类的出现。

// ForwardingNode类
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
    final Node<K,V>[] nextTable;
    ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
        // 标志结点hash值为MOVED(-1)
        super(MOVED, null, null, null);
        this.nextTable = tab;
    }

    // 从nextTable中查询结点
    Node<K,V> find(int h, Object k) { ... }
}
// ForwardingNode类
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
    final Node<K,V>[] nextTable;
    ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
        // 标志结点hash值为MOVED(-1)
        super(MOVED, null, null, null);
        this.nextTable = tab;
    }

    // 从nextTable中查询结点
    Node<K,V> find(int h, Object k) { ... }
}

原子操作和Unsafe类

这里有三个重要的原子操作，使用这些操作而不需要加锁保证了ConcurrentHashMap的性能。

/**
 *  三个重要的原子操作
 *  ((long)i << ASHIFT) + ABASE 用来计算在内存中的偏移量
 *  ASHIFT是指tab[i]中第i个元素在相对于数组第一个元素的偏移量，而ABASE是数组的第一个位置的元素在内存中的偏移地址
 */
// 获取i处Node,即tab[i]
static final <K,V> ConcurrentHashMap.Node<K,V> tabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i) {
    return (ConcurrentHashMap.Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
// 利用CAS算法设置i位置上的Node节点（将c和tab[i]比较，相同则插入v）
static final <K,V> boolean casTabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i,
                                    ConcurrentHashMap.Node<K,V> c, ConcurrentHashMap.Node<K,V> v) {
    // CAS算法:无阻塞，通过自旋来实现不断比较期望值与当前值，若相等，则修改，否则一直自旋（与乐观锁思想相似）
    return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
// 设置节点位置的值
static final <K,V> void setTabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i, ConcurrentHashMap.Node<K,V> v) {
    U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}
/**
 *  三个重要的原子操作
 *  ((long)i << ASHIFT) + ABASE 用来计算在内存中的偏移量
 *  ASHIFT是指tab[i]中第i个元素在相对于数组第一个元素的偏移量，而ABASE是数组的第一个位置的元素在内存中的偏移地址
 */
// 获取i处Node,即tab[i]
static final <K,V> ConcurrentHashMap.Node<K,V> tabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i) {
    return (ConcurrentHashMap.Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
// 利用CAS算法设置i位置上的Node节点（将c和tab[i]比较，相同则插入v）
static final <K,V> boolean casTabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i,
                                    ConcurrentHashMap.Node<K,V> c, ConcurrentHashMap.Node<K,V> v) {
    // CAS算法:无阻塞，通过自旋来实现不断比较期望值与当前值，若相等，则修改，否则一直自旋（与乐观锁思想相似）
    return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
// 设置节点位置的值
static final <K,V> void setTabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i, ConcurrentHashMap.Node<K,V> v) {
    U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}

Unsafe类提供了很多操作。例如获取元素的地址等和各种CAS操作。

可以看下 Unsafe介绍

// Unsafe,U
private static final sun.misc.Unsafe U;  
private static final long SIZECTL;  
private static final long TRANSFERINDEX;  
private static final long BASECOUNT;  
private static final long CELLSBUSY;  
private static final long CELLVALUE;  
private static final long ABASE;  
private static final int ASHIFT;  

static {  
    try {  
        U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();  
        Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;  
        // 获取ConcurrentHashMap这个对象字段sizeCtl在内存中的偏移量
        SIZECTL = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("sizeCtl"));  
        TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("transferIndex"));  
        BASECOUNT = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("baseCount"));  
        CELLSBUSY = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("cellsBusy"));  
        Class<?> ck = CounterCell.class;  
        CELLVALUE = U.objectFieldOffset  
            (ck.getDeclaredField("value")); 
        Class<?> ak = Node[].class;  
        // 获取数组第一个元素的偏移地址
        ABASE = U.arrayBaseOffset(ak); 
        // arrayIndexScale可以获取数组的转换因子，也就是数组中元素的增量地址 
        int scale = U.arrayIndexScale(ak);  
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)  
            throw new Error("data type scale not a power of two");  
        ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);  
    } catch (Exception e) {  
        throw new Error(e);  
    }  
}  
// Unsafe,U
private static final sun.misc.Unsafe U;  
private static final long SIZECTL;  
private static final long TRANSFERINDEX;  
private static final long BASECOUNT;  
private static final long CELLSBUSY;  
private static final long CELLVALUE;  
private static final long ABASE;  
private static final int ASHIFT;  

static {  
    try {  
        U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();  
        Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;  
        // 获取ConcurrentHashMap这个对象字段sizeCtl在内存中的偏移量
        SIZECTL = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("sizeCtl"));  
        TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("transferIndex"));  
        BASECOUNT = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("baseCount"));  
        CELLSBUSY = U.objectFieldOffset  
            (k.getDeclaredField("cellsBusy"));  
        Class<?> ck = CounterCell.class;  
        CELLVALUE = U.objectFieldOffset  
            (ck.getDeclaredField("value")); 
        Class<?> ak = Node[].class;  
        // 获取数组第一个元素的偏移地址
        ABASE = U.arrayBaseOffset(ak); 
        // arrayIndexScale可以获取数组的转换因子，也就是数组中元素的增量地址 
        int scale = U.arrayIndexScale(ak);  
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)  
            throw new Error("data type scale not a power of two");  
        ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);  
    } catch (Exception e) {  
        throw new Error(e);  
    }  
}

重要方法

初始化表操作(initTable)

这个方法的目的是初始化一个table。

// 初始化表
private final ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] initTable() {
    ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // 如果已经创建过了则让行
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        // CAS操作,若SIZECTL和sc相同,则将SIZECTL修改为-1(表示正在初始化)
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    // 创建表
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] nt = (ConcurrentHashMap.Node<K,V>[])new ConcurrentHashMap.Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    //相当于sc=0.75*n 设置一个扩容的阈值
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}
// 初始化表
private final ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] initTable() {
    ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // 如果已经创建过了则让行
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        // CAS操作,若SIZECTL和sc相同,则将SIZECTL修改为-1(表示正在初始化)
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    // 创建表
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] nt = (ConcurrentHashMap.Node<K,V>[])new ConcurrentHashMap.Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    //相当于sc=0.75*n 设置一个扩容的阈值
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

插入键值对(put和putVal)

put操作和putVal的操作的关系只是一个调用关系，在这就不提put操作了，重点在于putVal。

这里的操作流程是：

先计算传入key的哈希值hash。
进入for循环自旋直到完成插入操作。

如果表还未初始化，则去初始化表。
如果hash位置对应的桶还未初始化，就用CAS操作去插入新的键值对并退出自旋。
如果是ForwardingNode就调用 helpTransfer() 去帮忙将旧表复制到新表中。
否则就是需要将新的键值对放到链表或者树上了。（具体看代码）

最后调用 addCount() 使得元素数目+1，这里如果不够空间也会在 addCount() 中扩容。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 不允许key或value为null,这里和HashMap不一样
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    /*
     * static final int spread(int h) {
     *     return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
     * }
     * static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal node hash
     * 计算哈希
     */
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    // 自旋操作,只有成功插入了才会跳出
    for (ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab = table;;) {
        ConcurrentHashMap.Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 表还未初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // 该位置还没有初始化
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 使用CAS插入新的键值对,不需要加锁
            if (casTabAt(tab, i, null,
                    new ConcurrentHashMap.Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 如果是Forwording Node就帮忙transfer整合表
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 这里使用synchronized同步table中目标位置的bucket,即tab[i],相当于分段锁,保证线程安全
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 如果是链表结点
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        // 遍历链表
                        for (ConcurrentHashMap.Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 在原链表找到了key就覆盖值
                            if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                            (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            ConcurrentHashMap.Node<K,V> pred = e;
                            // 找到链表末尾还找不到就在末尾插入新的键值对
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new ConcurrentHashMap.Node<K,V>(hash, key,
                                        value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 如果是树的结点
                    else if (f instanceof ConcurrentHashMap.TreeBin) {
                        ConcurrentHashMap.Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        // 树的操作
                        if ((p = ((ConcurrentHashMap.TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            // 为1表示为链表结点，为2表示为树结点，为0表示插入新的结点
            if (binCount != 0) {
                // 判断是否达到变成树的阈值(默认为8),达到了就将tab[i]的链表重构为红黑树
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 当前map的元素+1
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 不允许key或value为null,这里和HashMap不一样
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    /*
     * static final int spread(int h) {
     *     return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
     * }
     * static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal node hash
     * 计算哈希
     */
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    // 自旋操作,只有成功插入了才会跳出
    for (ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab = table;;) {
        ConcurrentHashMap.Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 表还未初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // 该位置还没有初始化
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 使用CAS插入新的键值对,不需要加锁
            if (casTabAt(tab, i, null,
                    new ConcurrentHashMap.Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 如果是Forwording Node就帮忙transfer整合表
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 这里使用synchronized同步table中目标位置的bucket,即tab[i],相当于分段锁,保证线程安全
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 如果是链表结点
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        // 遍历链表
                        for (ConcurrentHashMap.Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 在原链表找到了key就覆盖值
                            if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                            (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            ConcurrentHashMap.Node<K,V> pred = e;
                            // 找到链表末尾还找不到就在末尾插入新的键值对
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new ConcurrentHashMap.Node<K,V>(hash, key,
                                        value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 如果是树的结点
                    else if (f instanceof ConcurrentHashMap.TreeBin) {
                        ConcurrentHashMap.Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        // 树的操作
                        if ((p = ((ConcurrentHashMap.TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            // 为1表示为链表结点，为2表示为树结点，为0表示插入新的结点
            if (binCount != 0) {
                // 判断是否达到变成树的阈值(默认为8),达到了就将tab[i]的链表重构为红黑树
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 当前map的元素+1
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

helpTransfer

这个方法是发现结点是 ForwardingNode 类时候调用的，进入其中帮助 transfer。

/**
 * Helps transfer if a resize is in progress.
 * 辅助方法,f为ForwardingNode进入,细节个人还没理解透彻
 */
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
    Node<K,V>[] nextTab; int sc;
    if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
        (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
        // 返回一个扩容校验标识
        int rs = resizeStamp(tab.length);
        
        // 当处于扩容状态
        while (nextTab == nextTable && table == tab &&
               (sc = sizeCtl) < 0) {
            // 判断校验标识是否相等，如果校验符不等或者扩容操作已经完成了，直接退出循环，不用协助它们扩容了
            if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                break;
            // 否则调用transfer帮助它们进行扩容,sc+1标识增加了一个线程进行扩容
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                transfer(tab, nextTab);
                break;
            }
        }
        return nextTab;
    }
    return table;
}
/**
 * Helps transfer if a resize is in progress.
 * 辅助方法,f为ForwardingNode进入,细节个人还没理解透彻
 */
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
    Node<K,V>[] nextTab; int sc;
    if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
        (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
        // 返回一个扩容校验标识
        int rs = resizeStamp(tab.length);
        
        // 当处于扩容状态
        while (nextTab == nextTable && table == tab &&
               (sc = sizeCtl) < 0) {
            // 判断校验标识是否相等，如果校验符不等或者扩容操作已经完成了，直接退出循环，不用协助它们扩容了
            if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                break;
            // 否则调用transfer帮助它们进行扩容,sc+1标识增加了一个线程进行扩容
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                transfer(tab, nextTab);
                break;
            }
        }
        return nextTab;
    }
    return table;
}

扩容操作（transfer）

当空间不够的时候，要将旧的表(table)复制到新的表(nextTab)中。这是个人觉得最复杂的操作了。

操作流程：

如果新的表为空，就初始化新的表（单线程操作），新的表的容量为原来的2倍。
新建一个 ForwardingNode 用来标志已经完成扩容的结点。
自旋直到处理完毕

为线程分配工作的区间，逆序处理每一个桶。
遍历桶。
如果该桶为空，就将 ForwardingNode 放入标志已经处理过。
如果该桶为 ForwardingNode 就跳过。
否则使用 synchronized 锁住桶，进行复制转移操作（详见注释，和HashMap有点像）。完成后，标记为 ForwardingNode。
当finish后，则将原来的table更新为nextTab，然后将nextTable设为null帮助GC。

/**
 * Moves and/or copies the nodes in each bin to new table. See
 * above for explanation.
 * 扩容，将旧的表的元素放到新的表中
 */
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; // subdivide range
    // 如果新的表为空,则需要初始化新的表
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            // 扩展为原容量的2倍(n<<1),这个操作是单线程完成的,因为这初始化了nextTab
            @SuppressWarnings("unchecked")
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        // transferIndex指向最后一个桶,从后往前遍历
        transferIndex = n;
    }

    // 下面是并发扩容的核心

    int nextn = nextTab.length;
    // 新建一个ForwardingNode,用于标识已经完成复制转移的桶
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    // 如果等于true,那么说明这个节点已经处理过
    boolean advance = true;
    // 标识是否所有结点复制完成
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    // i是当前处理的桶,bound是区间下界
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            // 通过 --i 去遍历桶
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            // 说明已经没有需要复制转移的桶了
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            // 为当前线程分配任务，处理的桶结点区间为（nextBound,nextIndex）
            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;
            // 所有结点复制完成
            if (finishing) {
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                // 扩容阈值为原来的1.5倍,即现在的0.75倍
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }
            // CAS将sizeCtl-1,说明新的线程加入到扩容操作中
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        // 如果是空结点,就将ForwardingNode放入用来标志已经被处理过
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        // 如果是ForwardingNode,那么这个点已经被处理过,跳过
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            advance = true; // already processed
        else {
            // 否则进入转移
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;
                    // 是一个链表结点
                    if (fh >= 0) {
                        // 这里和HashMap一样,只要判断扩容后的那一位是1还是0就可以知道是放在原位i还是放到i+n的桶
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        // 遍历找到桶中最后连续的 fh&n 不变的结点
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        // 如果是0,那么就让链表头为ln(放到原位i的链表)
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        } // 如果是1,那么让链表头为hn(放到i+n的链表)
                        else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }
                        /**
                         * 如果是ln一开始有值的话,那么就是lastRun后面那一段是顺序的,然后其余的一个个插入到lastRun前面
                         * 如果是hn一开始有值的话,也是同理
                         */
                        for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                            /**
                             *  Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
                             *      this.hash = hash;
                             *      this.key = key;
                             *      this.val = val;
                             *      this.next = next;
                             *  }
                             *  这里Node的构造函数是让新的结点的next指向传入的结点
                             *  即会让链表逆序
                             */
                            if ((ph & n) == 0)
                                ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                            else
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        // 将两条链表放入到nextTab的相应的桶中
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        // 将原来的桶的第i位标识为已经处理
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                    // 如果是树的结点,就用红黑树的复制算法
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            }
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}
/**
 * Moves and/or copies the nodes in each bin to new table. See
 * above for explanation.
 * 扩容，将旧的表的元素放到新的表中
 */
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; // subdivide range
    // 如果新的表为空,则需要初始化新的表
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            // 扩展为原容量的2倍(n<<1),这个操作是单线程完成的,因为这初始化了nextTab
            @SuppressWarnings("unchecked")
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        // transferIndex指向最后一个桶,从后往前遍历
        transferIndex = n;
    }

    // 下面是并发扩容的核心

    int nextn = nextTab.length;
    // 新建一个ForwardingNode,用于标识已经完成复制转移的桶
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    // 如果等于true,那么说明这个节点已经处理过
    boolean advance = true;
    // 标识是否所有结点复制完成
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    // i是当前处理的桶,bound是区间下界
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            // 通过 --i 去遍历桶
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            // 说明已经没有需要复制转移的桶了
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            // 为当前线程分配任务，处理的桶结点区间为（nextBound,nextIndex）
            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;
            // 所有结点复制完成
            if (finishing) {
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                // 扩容阈值为原来的1.5倍,即现在的0.75倍
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }
            // CAS将sizeCtl-1,说明新的线程加入到扩容操作中
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        // 如果是空结点,就将ForwardingNode放入用来标志已经被处理过
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        // 如果是ForwardingNode,那么这个点已经被处理过,跳过
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            advance = true; // already processed
        else {
            // 否则进入转移
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;
                    // 是一个链表结点
                    if (fh >= 0) {
                        // 这里和HashMap一样,只要判断扩容后的那一位是1还是0就可以知道是放在原位i还是放到i+n的桶
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        // 遍历找到桶中最后连续的 fh&n 不变的结点
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        // 如果是0,那么就让链表头为ln(放到原位i的链表)
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        } // 如果是1,那么让链表头为hn(放到i+n的链表)
                        else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }
                        /**
                         * 如果是ln一开始有值的话,那么就是lastRun后面那一段是顺序的,然后其余的一个个插入到lastRun前面
                         * 如果是hn一开始有值的话,也是同理
                         */
                        for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                            /**
                             *  Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
                             *      this.hash = hash;
                             *      this.key = key;
                             *      this.val = val;
                             *      this.next = next;
                             *  }
                             *  这里Node的构造函数是让新的结点的next指向传入的结点
                             *  即会让链表逆序
                             */
                            if ((ph & n) == 0)
                                ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                            else
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        // 将两条链表放入到nextTab的相应的桶中
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        // 将原来的桶的第i位标识为已经处理
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                    // 如果是树的结点,就用红黑树的复制算法
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            }
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

addCount()

addCount，更新baseCount并判断table数组是否太小需要扩容。

核心思想是在并发较低时，只需更新base值。在高并发的情况下，将对单一值的更新转化为数组上元素的更新，以降低并发争用。总的映射个数为base＋CounterCell各个元素的和。如果总数大于阈值，扩容。

private final void addCount(long x, int check) {
    // 初始化时counterCells为空，在并发量很高时，如果存在两个线程同时执行CAS修改baseCount值，
    // 则失败的线程会继续执行方法体中的逻辑，使用CounterCell记录元素个数的变化
    CounterCell[] as; long b, s;
    // 更新baseCount为s
    if ((as = counterCells) != null ||
        !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        // 更新失败则进入
        CounterCell a; long v; int m;
        // uncontended表示更新CounterCell是否存在争用
        boolean uncontended = true;
        // CAS更新CounterCell数组的值+x
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended =
                U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
            // 还是失败就要用fullAddCount(),作用是将x添加到counterCells[]或baseCount中
            fullAddCount(x, uncontended);
            return;
        }
        if (check <= 1)
            return;
        // 统计元素个数
        s = sumCount();
    }
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
        // 元素个数大于扩容阈值就要扩容
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            int rs = resizeStamp(n);
            // 正在扩容
            if (sc < 0) {
                // 扩容结束或者没有桶分配就break
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                // CAS更新正在扩容的线程+1
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            // 当前只有一个线程在扩容(进来的该线程),就去扩容
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                            (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
            
            // 实时监测
            s = sumCount();
        }
    }
}
private final void addCount(long x, int check) {
    // 初始化时counterCells为空，在并发量很高时，如果存在两个线程同时执行CAS修改baseCount值，
    // 则失败的线程会继续执行方法体中的逻辑，使用CounterCell记录元素个数的变化
    CounterCell[] as; long b, s;
    // 更新baseCount为s
    if ((as = counterCells) != null ||
        !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        // 更新失败则进入
        CounterCell a; long v; int m;
        // uncontended表示更新CounterCell是否存在争用
        boolean uncontended = true;
        // CAS更新CounterCell数组的值+x
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended =
                U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
            // 还是失败就要用fullAddCount(),作用是将x添加到counterCells[]或baseCount中
            fullAddCount(x, uncontended);
            return;
        }
        if (check <= 1)
            return;
        // 统计元素个数
        s = sumCount();
    }
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
        // 元素个数大于扩容阈值就要扩容
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            int rs = resizeStamp(n);
            // 正在扩容
            if (sc < 0) {
                // 扩容结束或者没有桶分配就break
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                // CAS更新正在扩容的线程+1
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            // 当前只有一个线程在扩容(进来的该线程),就去扩容
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                            (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
            
            // 实时监测
            s = sumCount();
        }
    }
}

总结

JDK1.8使用了CAS操作和synchronized来实现并发，但是这里的synchronized只是锁住正在操作的桶而已，并没有锁住整个map。而JDK1.7使用了分段锁来实现并发，一个segment对应了多个桶。
JDK1.8使用链表+红黑树来实现，在冲突很多的情况下时间复杂度优化了许多。
阅读了HashMap源码后再看ConcurrentHashMap简单了一些，两者有很多共通之处。

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