文章已同步发表于微信公众号JasonGaoH，ConcurrentHashMap是如何保证线程安全的

之前分析过HashMap的一些实现细节，关于HashMap你需要知道的一些细节, 今天我们从源码角度来看看ConcurrentHashMap是如何实现线程安全的，其实网上这类文章分析特别多，秉着”纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行“的原则，我们尝试自己去分析下，希望这样对于ConcurrentHashMap有一个更深刻的理解。

为什么说HashMap线程不安全，而ConcurrentHashMap就线程安全

其实ConcurrentHashMap在Android开发中使用的场景并不多，但是ConcurrentHashMap为了支持多线程并发这些优秀的设计却是最值得我们学习的地方，往往”ConcurrentHashMap是如何实现线程安全“这类问题却是面试官比较喜欢问的问题。

首先，我们尝试用代码模拟下HashMap在多线程场景下会不安全，如果把这个场景替换成ConcurrentHashMap会不会有问题。

因为不同于其他的线程同步问题，想模拟出一种场景来表明HashMap是线程不安全的稍微有点麻烦，可能是hash散列有关，在数据量较小的情况下，计算出来的hashCode是不太容易产生碰撞的，网上很多文章都是尝试从源码角度来分析HashMap可能会导致的线程安全问题。

我们来看下下面这段代码,我们构造10个线程，每个线程分别往map中put 1000个数据，为了保证每个数据的key不一样，我们将i+ 线程名字来作为map 的key，这样，如果所有的线程都累加完的话，我们预期的map的size应该是10 * 1000 = 10000。

import java.util.HashMap;import java.util.Map;import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class HashMapTest { public static void main(String[] args) {  Map map = new HashMap();  //     Map map = new ConcurrentHashMap();  for (int i = 0; i  1)   Thread.yield();    System.out.println(map.size()); }}class MyThread extends Thread {    public Map map;    public String name;    public MyThread(Map map, String name) {      this.map = map;      this.name = name;    }    public void run() {     for(int i =0;i<1000;i++) {      map.put(i + name, i + name);     }    }  }

使用HashMap，程序运行，结果如下：

9930

那我们如果把这里的HashMap换成ConcurrentHashMap来试试看看效果如何，输出结果如下：

10000

我们发现不管运行几次，HashMap的size都是小于10000的，而ConcurrentHashMap的size都是10000。从这个角度也证明了ConcurrentHashMap是线程安全的，而HashMap则是线程不安全的。 HashMap在多线程put的时候，当产生hash碰撞的时候，会导致丢失数据，因为要put的两个值hash相同，如果这个对于hash桶的位置个数小于8，那么应该是以链表的形式存储，由于没有做通过，后面put的元素可能会直接覆盖之前那个线程put的数据，这样就导致了数据丢失。

其实列举上面这个例子只是为了从一个角度来展示下为什么说HashMap线程不安全，而ConcurrentHashMap则是线程安全的，鉴于HashMap线程安全例子比较难列举出来，所以才通过打印size这个角度来模拟了下。

这篇文章深入解读HashMap线程安全性问题就详细介绍了HashMap可能会出现线程安全问题。 文章主要讲了两个可能会出现线程不安全地方，一个是多线程的put可能导致元素的丢失，另一个是put和get并发时，可能导致get为null，但是也仅是在源码层面分析了下，因为这种场景想要完全用代码展示出来是稍微有点麻烦的。

接下来我们来看看ConcurrentHashMap是如何做到线程安全的。

JDK8的ConcurrentHashMap文档提炼

• ConcurrentHashMap支持检索的完全并发和更新的高预期并发性,这里的说法很有意思检索支持完全并发，更新则支持高预期并发性，因为它的检索操作是没有加锁的，实际上检索也没有必要加锁。
• 实际上ConcurrentHashMap和Hashtable在不考虑实现细节来说，这两者完全是可以互相操作的,Hashtable在get，put，remove等这些方法中全部加入了synchronized，这样的问题是能够实现线程安全，但是缺点是性能太差，几乎所有的操作都加锁的，但是ConcurrentHashMap的检测操作却是没有加锁的。
• ConcurrentHashMap检索操作(包括get)通常不会阻塞，因此可能与更新操作(包括put和remove)重叠。
• ConcurrentHashMap跟Hashtable类似但不同于HashMap，它不可以存放空值，key和value都不可以为null。

印象中一直以为ConcurrentHashMap是基于Segment分段锁来实现的，之前没仔细看过源码，一直有这么个错误的认识。ConcurrentHashMap是基于Segment分段锁来实现的，这句话也不能说不对，加个前提条件就是正确的了，ConcurrentHashMap从JDK1.5开始随java.util.concurrent包一起引入JDK中，在JDK8以前，ConcurrentHashMap都是基于Segment分段锁来实现的，在JDK8以后，就换成synchronized和CAS这套实现机制了。

JDK1.8中的ConcurrentHashMap中仍然存在Segment这个类，而这个类的声明则是为了兼容之前的版本序列化而存在的。

   /**     * Stripped-down version of helper class used in previous version,     * declared for the sake of serialization compatibility.     */    static class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {        private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;        final float loadFactor;        Segment(float lf) { this.loadFactor = lf; }    }

JDK1.8中的ConcurrentHashMap不再使用Segment分段锁，而是以table数组的头结点作为synchronized的锁。和JDK1.8中的HashMap类似，对于hashCode相同的时候，在Node节点的数量少于8个时，这时的Node存储结构是链表形式，时间复杂度为O(N)，当Node节点的个数超过8个时，则会转换为红黑树，此时访问的时间复杂度为O(long(N))。

 /**     * The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.     * Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.     */    transient volatile Node[] table;

数据结构图如下所示：

其实ConcurrentHashMap保证线程安全主要有三个地方。

一、使用volatile保证当Node中的值变化时对于其他线程是可见的

二、使用table数组的头结点作为synchronized的锁来保证写操作的安全

三、当头结点为null时，使用CAS操作来保证数据能正确的写入。

使用volatile

可以看到，Node中的val和next都被volatile关键字修饰。

volatile的happens-before规则：对一个volatile变量的写一定可见(happens-before)于随后对它的读。

也就是说，我们改动val的值或者next的值对于其他线程是可见的，因为volatile关键字，会在读指令前插入读屏障，可以让高速缓存中的数据失效，重新从主内存加载数据。

static class Node implements Map.Entry {        final int hash;        final K key;        volatile V val;        volatile Node next;  }  ...

另外，ConcurrentHashMap提供类似tabAt来读取Table数组中的元素，这里是以volatile读的方式读取table数组中的元素，主要通过Unsafe这个类来实现的，保证其他线程改变了这个数组中的值的情况下，在当前线程get的时候能拿到。

 static final  Node tabAt(Node[] tab, int i) {        return (Node)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i <

而与之对应的，是setTabAt,这里是以volatile写的方式往数组写入元素，这样能保证修改后能对其他线程可见。

 static final  void setTabAt(Node[] tab, int i, Node v) {        U.putObjectVolatile(tab, ((long)i <

我们来看下ConcurrentHashMap的putVal方法：

  /** Implementation for put and putIfAbsent */    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[] tab = table;;) {            Node f; int n, i, fh;            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)                tab = initTable();            //当头结点为null,则通过casTabAt方式写入            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {                if (casTabAt(tab, i, null,                             new Node(hash, key, value, null)))                    break;                   // no lock when adding to empty bin            }            else if ((fh = f.hash) == MOVED)              //正在扩容                tab = helpTransfer(tab, f);            else {                V oldVal = null;                //头结点不为null，使用synchronized加锁                synchronized (f) {                    if (tabAt(tab, i) == f) {                        if (fh >= 0) {                            //此时hash桶是链表结构                            binCount = 1;                            for (Node 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 pred = e;                                if ((e = e.next) == null) {                                    pred.next = new Node(hash, key,                                                              value, null);                                    break;                                }                            }                        }                        else if (f instanceof TreeBin) {                            //此时是红黑树                            Node p;                            binCount = 2;                            if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key,                                                           value)) != null) {                                oldVal = p.val;                                if (!onlyIfAbsent)                                    p.val = value;                            }                        }                        else if (f instanceof ReservationNode)                            throw new IllegalStateException("Recursive update");                    }                }                if (binCount != 0) {                    //当链表结构大于等于8，则将链表转换为红黑树                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)                        treeifyBin(tab, i);                    if (oldVal != null)                  return oldVal;                    break;                }            }        }        addCount(1L, binCount);        return null;    }

在putVal方法重要的地方都加了注释，可以帮助理解，现在我们一步一步来看putVal方法。

使用CAS

当有一个新的值需要put到ConcurrentHashMap中时，首先会遍历ConcurrentHashMap的table数组，然后根据key的hashCode来定位到需要将这个value放到数组的哪个位置。

tabAt(tab, i = (n - 1) & hash))就是定位到这个数组的位置，如果当前这个位置的Node为null，则通过CAS方式的方法写入。所谓的CAS，即即compareAndSwap，执行CAS操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作。

这里就是调用casTabAt方法来实现的。

     static final  boolean casTabAt(Node[] tab, int i,                                        Node c, Node v) {        return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i <

casTabAt同样是通过调用Unsafe类来实现的，调用Unsafe的compareAndSwapObject来实现，其实如果仔细去追踪这条线路，会发现其实最终调用的是cmpxchg这个CPU指令来实现的，这是一个CPU的原子指令，能保证数据的一致性问题。

使用synchronized

当头结点不为null时，则使用该头结点加锁，这样就能多线程去put hashCode相同的时候不会出现数据丢失的问题。synchronized是互斥锁，有且只有一个线程能够拿到这个锁，从而保证了put操作是线程安全的。

下面是ConcurrentHashMap的put操作的示意图，图片来自于ConcurrentHashMap源码分析(JDK8)get/put/remove方法分析。

参考文章

从ConcurrentHashMap的演进看Java多线程核心技术

ConcurrentHashMap源码分析(JDK8)get/put/remove方法分析