ConcurrentHashMap 核心原理解析

一、 数据结构：坚实的基石

在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 摒弃了之前的分段锁（Segment）设计，转而采用了与 HashMap 类似的 数组 + 链表 + 红黑树 的结构。

• 核心改进：利用 synchronized 和 CAS (Compare And Swap) 来保证线程安全。
• 存储单元：使用 Node 数组。当链表长度超过 8 且数组容量大于 64 时，链表会转换为红黑树以优化查询效率。

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二、 putVal() 方法：高并发写入的艺术

putVal() 是整个类中最核心的逻辑。它并没有使用全局锁，而是通过细粒度的控制来实现并发。

关键步骤解读：

1. 无限循环 (forndoe) ：确保数据一定能插入成功。

2. 检查空表：如果 table 未初始化，先执行初始化。

3. CAS 插入头节点：计算 Hash 位置，如果该位置为空，直接通过 CAS 尝试放置新节点。如果成功，直接跳出。

4. 检测扩容 (MOVED) ：如果发现节点 Hash 值为 -1，说明正在扩容，当前线程会加入协助扩容。

5. 锁定头节点 (synchronized) ：如果该位置已有数据且非扩容态，则对该桶的头节点加锁。

   • 若是链表，遍历寻找 Key，找到则更新，没找到则尾插。
   • 若是红黑树，按照红黑树规则插入。

6. 树化检查：插入完成后，判断是否需要将链表转为红黑树。

注意： ConcurrentHashMap 不允许 null 作为 Key 或 Value，这是为了避免在并发环境下的歧义（无法区分是“值不存在”还是“值为 null”）。

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三、 get() 方法：极致的查询性能

相较于复杂的写入，get() 方法非常简洁，且全程不加锁。

关键步骤解读：

1. 计算 Hash：计算 Key 的 Hash 值。

2. 定位桶位置：如果头节点直接匹配，返回结果。

3. 多态查找：

   • 如果头节点的 hash < 0（说明是红黑树或者是正在扩容的 ForwardingNode），调用对应节点的 find() 方法进行查找。
   • 如果是普通链表，循环遍历。

4. 返回结果：找不到则返回 null。

为什么 get() 不需要加锁？

这是因为 Node 内部的 val 和 next 指针都使用了 volatile 修饰：

$volatile\ V\ val;$

$volatile\ Node<K,V>\ next;$

这保证了当一个线程修改了节点值或插入了新节点，其他线程能立即看到最新的变化（可见性）。

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四、 总结

• 锁粒度：从 JDK 1.7 的 Segment 级别优化到了 JDK 1.8 的 Node 级别，并发度更高。
• 性能：读操作完全无锁，写操作局部加锁。
• 适用场景：高并发下的键值对存储，是构建本地缓存的首选工具。