一文带你吃透ConcurrentHashMap的实现和使用

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包中提供的线程安全且高效的哈希表实现，适用于多线程环境。其设计结合了分段锁、CAS（Compare-And-Swap）操作和细粒度同步策略，以实现高并发性能。本文将从数据结构、并发机制、关键操作等方面展开详解。

一、数据结构

基础结构

与 HashMap 类似，底层采用 Node 数组 + 链表/红黑树：
- Node 数组（table）：存储键值对，每个数组元素称为一个"桶"。
- 链表：哈希冲突时，同一桶内的元素形成链表。
- 红黑树：当链表长度 ≥ 8 且数组长度 ≥ 64 时，链表转为红黑树，优化查询效率（退化为链表的阈值为 6）。
节点类型
- 普通节点（Node） ：存储键值对，hash 值为正数。
- 转发节点（ForwardingNode） ：扩容时标记已迁移的桶，hash 值为 MOVED（-1）。
- 树节点（TreeBin） ：红黑树的根节点，hash 值为 TREEBIN（-2）。

CAS 无锁化操作
- 初始化数组：通过 CAS 确保只有一个线程初始化数组。
- 插入头节点：若桶为空，使用 CAS 插入新节点，避免锁竞争。
细粒度锁（synchronized）
- 锁定桶的头节点 ：当发生哈希冲突（链表或树已存在），对头节点加 synchronized 锁，保证同一桶的操作线程安全。
- 锁粒度小：不同桶的操作可并发执行。
多线程协作扩容
- 触发条件 ：元素数量超过 容量 × 负载因子（默认 0.75）。
- 扩容过程：
  1. 创建新数组 nextTable（容量翻倍）。
  2. 分配迁移任务：线程通过 transferIndex 领取迁移区间（一个或多个桶）。
  3. 迁移数据：将旧数组中的元素复制到新数组，遇到转发节点则跳过。
  4. 完成迁移：所有线程完成后，替换旧数组为 nextTable。

put 操作
- 步骤：
  1. 计算键的哈希值（spread 方法处理哈希码）。
  2. 若数组未初始化，则初始化（CAS 控制）。
  3. 定位到桶，若桶为空则 CAS 插入新节点。
  4. 若桶非空，锁住头节点：
    - 链表：遍历链表，更新或插入节点。
    - 红黑树：通过 TreeBin 插入节点。
  5. 检查是否需要扩容。
- 并发安全 ：CAS 插入头节点 + synchronized 锁。
get 操作
- 无锁读取 ：直接访问数组元素，依赖 volatile 修饰的 next 指针保证可见性。
- 处理转发节点 ：若遇到 ForwardingNode，则到新数组中查找。
size 操作
- 统计方式 ：基于 baseCount 和 CounterCell[]（类似 LongAdder 的分段计数）。
- 最终值 ：size = baseCount + ∑CounterCell[i].value。

线程安全
- 通过 CAS 和 synchronized 实现无锁化和细粒度锁，避免全局锁竞争。
高效扩容
- 多线程协作：多个线程可同时参与数据迁移，加快扩容速度。
- 迁移标记 ：转发节点（ForwardingNode）指示其他线程跳过已处理的桶。
迭代器弱一致性
- 不抛出异常：迭代过程中允许其他线程修改 Map。
- 数据可能过期：迭代器创建时捕获当前数组状态，不反映后续修改。
哈希算法优化
- spread 方法：将哈希码高 16 位与低 16 位异或，减少冲突概率。
  arduino 复制代码
```
java
static final int spread(int h) {
    return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
```

通过上述机制，ConcurrentHashMap 在多线程环境中实现了高性能的线程安全操作，是 Java 并发编程中不可或缺的核心类之一。