系列文章目录

第一章 ArrayList-Java八股面试(一)

第二章 HashMap-Java八股面试(二)

第三章 单例模式-Java八股面试(三)

第四章 线程池和Volatile关键字-Java八股面试(四)

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一、ConcurrentHashMap是什么？

1 jdk1.7

JDK1.7 中的 ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成，即 ConcurrentHashMap 把哈希桶数组切分成小数组（Segment ），每个小数组有 n 个 HashEntry 组成。
和普通的HashMap相比，ConcurrentHashMap其实就解决了多线程下安全的问题，其构造和HashMap相差不大，也是需要计算二次哈希值，唯一需要说明的是segment下标和小数组的问题。

Segment的数量决定了ConcurrentHashMap的并发度，因为在同一时刻只有一把锁可以访问，一旦Segment初始化之后就无法扩容，能扩容的是Segment下面的小数组。
而每个小数组则是HashEntry。

1. put方法

每一个元素先进行二次哈希值的计算，然后计算得到Segment下标，而后再进算桶下标，最后会以头插法的方式加入到链表中。

2. HashEntry扩容

一旦HashEntry下的节点个数大于HashEntry数量的3/4时就会发生扩容

3 Segment的数量和下标的计算

segment的数量是初始化时给的参数(clevel).
而segment的下标计算时根据如下图所示是二次哈希值的二进制编码的高4位得出12。

4.HashEntry的初始化

一旦初始化ConcurrentHashMap后，第一个HashEntry也会随之初始化，HashEntry的数量计算时：capacity/Segment(clevel),当然最小为2.第一次创建之后这个也就会作为模板，后面任意一个Segment对HashEntry初始化时都会以这个长度，而不是第一个HashEntry扩容后的长度（此时的长度）。注意这里的capacity只在这一步计算中用到，我们看到的数组长度其实是segment的长度。

5.HashEntry的下标计算

二次哈希值的二进制编码的最低位，如下图为0，则在索引为0的地方。

2. jdk1.8

与jdk1.7不同的是没有了Segment，也没有了HashEntry，和原始的HashMap在结构上有一些类似。初始化方式为懒汉式，只有在调用时才会初始化整个ConcurrentHashMap.在数据结构上， JDK1.8 中的ConcurrentHashMap 选择了与 HashMap 相同的Node数组+链表+红黑树结构；在锁的实现上，抛弃了原有的 Segment 分段锁，采用CAS + synchronized实现更加细粒度的锁。

将锁的级别控制在了更细粒度的哈希桶数组元素级别，也就是说只需要锁住这个链表头节点（红黑树的根节点），就不会影响其他的哈希桶数组元素的读写，大大提高了并发度。

1. 扩容机制

与1.7不同的是，当容量到达3/4时就会发生扩容，而不是超过3/4。

2. 初始化机制(capacity和factor)

capacity的意思并不再指初始化数组的容量，而是指一开始会往ConcurrentHashMap中放几个元素。
如上图所示，放16个元素，扩容因子为3/4，假如map长度为16，那么长度在12就会扩容，因此还需要在16的基础上继续扩容成32.尽管capacity设置为16，但并不意味着必须要放16个元素，并且capacity和factor只会在第一次初始化时有效。后续就算factor设置为0.5或者其他值，都是按默认的0.75计算。

值得说明的是，ConcurrentHashMap的容量只能是2的n次方。如上所示放7个元素，那么先考虑8是否能行，因为factor为0.5，所以必须要扩容成16.

3. put方法

根据二次哈希值先定位到数组索引处，然后占锁，再进行put。数组的大小决定了
ConcurrentHashMap的并发度，也就是说不同索引的Node互不干扰，d的put和ab的put互不影响。但是a和b的put需要占锁释放锁的步骤。

4. 扩容机制

假设n为临界节点，也就是put了n之后就会扩容，与数组方式相同，新建一个容量为2倍的新数组，然后进行数据迁移。

迁移顺序是从后往前进行迁移，每次迁移一个索引的链表或者红黑树。一旦该索引处完成迁移，就会变成Forwarding Node 认为是已完成的Node。

在迁移过程中，需要重新计算二次哈希值，一般情况下会重新创建新的节点，并将该节点插入新的数组中。
在这里为什么需要重新创建新的节点需要说明一下，如上图1这个节点的next指针为2，一旦哈希值重新计算之后，在新的数组中，它的next不一定是2.
当然也有一种情况可以直接引用，不需要再创建节点的情况就是，比如说456三个节点，在新的数组中仍然是该顺序情况，那么就不需要新创建节点。

5. 扩容时的put和get操作

1. get的索引在forwarding node之前
   那么正常get，并不会影响。

2.get的索引已经变成forwarding
那么直接去新数组中取得get

3.get的索引正在迁移
由上所述，因为扩容之后的节点的next指针可能会变化，所以该线程会等待该索引完成迁移查询新的节点。

1. put的索引在forwarding node之前
   同样，正常的并发执行。
   2.put的索引已经变成forwarding node
   线程会阻塞并帮助前面的node一起进行迁移，因为新的节点只有在所有旧的节点都完成迁移之后才能进行put，这时线程就会帮助前面未完成的索引一起进行迁移。
   3.put的索引正在迁移
   只能阻塞。

总结和细节

1.JDK1.7 与 JDK1.8 中ConcurrentHashMap 的区别

数据结构：取消了 Segment 分段锁的数据结构，取而代之的是数组+链表+红黑树的结构。
保证线程安全机制：JDK1.7 采用 Segment 的分段锁机制实现线程安全，其中 Segment 继承自 ReentrantLock 。JDK1.8 采用CAS+synchronized保证线程安全。
锁的粒度：JDK1.7 是对需要进行数据操作的 Segment 加锁，JDK1.8 调整为对每个数组元素加锁（Node）。
链表转化为红黑树：定位节点的 hash 算法简化会带来弊端，hash 冲突加剧，因此在链表节点数量大于 8（且数据总量大于等于 64）时，会将链表转化为红黑树进行存储。
查询时间复杂度：从 JDK1.7的遍历链表O(n)， JDK1.8 变成遍历红黑树O(logN)。

2.ConcurrentHashMap 的并发度是什么？

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。在JDK1.7中，实际上就是ConcurrentHashMap中的分段锁个数，即Segment[]的数组长度，默认是16，这个值可以在构造函数中设置。

在JDK1.8中，已经摒弃了Segment的概念，选择了Node数组+链表+红黑树结构，并发度大小依赖于数组的大小。

3. ConcurrentHashMap 迭代器是强一致性还是弱一致性

与 HashMap 迭代器是强一致性不同，ConcurrentHashMap 迭代器是弱一致性。

ConcurrentHashMap 的迭代器创建后，就会按照哈希表结构遍历每个元素，但在遍历过程中，内部元素可能会发生变化，如果变化发生在已遍历过的部分，迭代器就不会反映出来，而如果变化发生在未遍历过的部分，迭代器就会发现并反映出来，这就是弱一致性。

4.ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的效率哪个更高？为什么？

ConcurrentHashMap 的效率要高于 Hashtable，因为 Hashtable 给整个哈希表加了一把大锁从而实现线程安全。而ConcurrentHashMap 的锁粒度更低，在 JDK1.7 中采用分段锁实现线程安全，在 JDK1.8 中采用CAS+synchronized实现线程安全。