無鎖HashMap的原理與實現
在《疫苗：Java HashMap的死循環》中，我們看到，java.util.HashMap并不能直接應用于多線程環境。對于多線程環境中應用HashMap，主要有以下幾種選擇：
- 使用線程安全的java.util.Hashtable作為替代
- 使用java.util.Collections.synchronizedMap方法，將已有的HashMap對象包裝為線程安全的。
- 使用java.util.concurrent.ConcurrentHashMap類作為替代，它具有非常好的性能。
而以上幾種方法在實現的具體細節上，都或多或少地用到了互斥鎖。互斥鎖會造成線程阻塞，降低運行效率，并有可能產生死鎖、優先級翻轉等一系列問題。
CAS(Compare And Swap)是一種底層硬件提供的功能，它可以將判斷并更改一個值的操作原子化。關于CAS的一些應用，《無鎖隊列的實現》一文中有很詳細的介紹。
Java中的原子操作
在java.util.concurrent.atomic包中，Java為我們提供了很多方便的原子類型，它們底層完全基于CAS操作。
例如我們希望實現一個全局公用的計數器，那么可以：
- privateAtomicInteger counter =newAtomicInteger(3);
- publicvoidaddCounter() {
- for(;;) {
- intoldValue = counter.get();
- intnewValue = oldValue +1;
- if(counter.compareAndSet(oldValue, newValue))
- return;
- }
- }
其中，compareAndSet方法會檢查counter現有的值是否為oldValue，如果是，則將其設置為新值newValue，操作成功并返回true；否則操作失敗并返回false。
當計算counter新值時，若其他線程將counter的值改變，compareAndSwap就會失敗。此時我們只需在外面加一層循環，不斷嘗試這個過程，那么最終一定會成功將counter值+1。（其實AtomicInteger已經為常用的+1/-1操作定義了 incrementAndGet與decrementAndGet方法，以后我們只需簡單調用它即可）
除了AtomicInteger外，java.util.concurrent.atomic包還提供了AtomicReference和AtomicReferenceArray類型，它們分別代表原子性的引用和原子性的引用數組（引用的數組）。
無鎖鏈表的實現
在實現無鎖HashMap之前，讓我們先來看一下比較簡單的無鎖鏈表的實現方法。
以插入操作為例：
- 首先我們需要找到待插入位置前面的節點A和后面的節點B。
- 然后新建一個節點C，并使其next指針指向節點B。（見圖1）
- ***使節點A的next指針指向節點C。（見圖2）
但在操作中途，有可能其他線程在A與B直接也插入了一些節點（假設為D），如果我們不做任何判斷，可能造成其他線程插入節點的丟失。（見圖3）我們可以利用CAS操作，在為節點A的next指針賦值時，判斷其是否仍然指向B，如果節點A的next指針發生了變化則重試整個插入操作。大致代碼如下：
- privatevoidlistInsert(Node head, Node c) {
- for(;;) {
- Node a = findInsertionPlace(head), b = a.next.get();
- c.next.set(b);
- if(a.next.compareAndSwap(b,c))
- return;
- }
- }
(Node類的next字段為AtomicReference<Node>類型，即指向Node類型的原子性引用)
無鎖鏈表的查找操作與普通鏈表沒有區別。而其刪除操作，則需要找到待刪除節點前方的節點A和后方的節點B，利用CAS操作驗證并更新節點A的next指針，使其指向節點B。
無鎖HashMap的難點與突破
HashMap主要有插入、刪除、查找以及ReHash四種基本操作。一個典型的HashMap實現，會用到一個數組，數組的每項元素為一個節點的鏈表。對于此鏈表，我們可以利用上文提到的操作方法，執行插入、刪除以及查找操作，但對于ReHash操作則比較困難。
如圖4，在ReHash過程中，一個典型的操作是遍歷舊表中的每個節點，計算其在新表中的位置，然后將其移動至新表中。期間我們需要操縱3次指針：
- 將A的next指針指向D
- 將B的next指針指向C
- 將C的next指針指向E
而這三次指針操作必須同時完成，才能保證移動操作的原子性。但我們不難看出，CAS操作每次只能保證一個變量的值被原子性地驗證并更新，無法滿足同時驗證并更新三個指針的需求。
于是我們不妨換一個思路，既然移動節點的操作如此困難，我們可以使所有節點始終保持有序狀態，從而避免了移動操作。在典型的HashMap實現中，數組的長度始終保持為2i，而從Hash值映射為數組下標的過程，只是簡單地對數組長度執行取模運算（即僅保留Hash二進制的后i位）。當ReHash時，數組長度加倍變為2i+1，舊數組第j項鏈表中的每個節點，要么移動到新數組中第j項，要么移動到新數組中第j+2i項，而它們的唯一區別在于Hash值第i+1位的不同（第i+1位為0則仍為第j項，否則為第j+2i項）。
如圖5，我們將所有節點按照Hash值的翻轉位序（如1101->1011）由小到大排列。當數組大小為8時，2、18在一個組內；3、 11、27在另一個組內。每組的開始，插入一個哨兵節點，以方便后續操作。為了使哨兵節點正確排在組的最前方，我們將正常節點Hash的***位（翻轉后變為***位）置為1，而哨兵節點不設置這一位。
當數組擴容至16時（見圖6），第二組分裂為一個只含3的組和一個含有11、27的組，但節點之間的相對順序并未改變。這樣在ReHash時，我們就不需要移動節點了。
實現細節
由于擴容時數組的復制會占用大量的時間，這里我們采用了將整個數組分塊，懶惰建立的方法。這樣，當訪問到某下標時，僅需判斷此下標所在塊是否已建立完畢（如果沒有則建立）。
另外定義size為當前已使用的下標范圍，其初始值為2，數組擴容時僅需將size加倍即可；定義count代表目前HashMap中包含的總節點個數（不算哨兵節點）。
初始時，數組中除第0項外，所有項都為null。第0項指向一個僅有一個哨兵節點的鏈表，代表整條鏈的起點。初始時全貌見圖7，其中淺綠色代表當前未使用的下標范圍，虛線箭頭代表邏輯上存在，但實際未建立的塊。
初始化下標操作
數組中為null的項都認為處于未初始化狀態，初始化某個下標即代表建立其對應的哨兵節點。初始化是遞歸進行的，即若其父下標未初始化，則先初始化其父下標。（一個下標的父下標是其移除***二進制位后得到的下標）大致代碼如下：
- privatevoidinitializeBucket(intbucketIdx) {
- intparentIdx = bucketIdx ^ Integer.highestOneBit(bucketIdx);
- if(getBucket(parentIdx) ==null)
- initializeBucket(parentIdx);
- Node dummy =newNode();
- dummy.hash = Integer.reverse(bucketIdx);
- dummy.next =newAtomicReference<>();
- setBucket(bucketIdx, listInsert(getBucket(parentIdx), dummy));
- }
其中getBucket即封裝過的獲取數組某下標內容的方法，setBucket同理。listInsert將從指定位置開始查找適合插入的位置插入給定的節點，若鏈表中已存在hash相同的節點則返回那個已存在的節點；否則返回新插入的節點。
插入操作
- 首先用HashMap的size對鍵的hashCode取模，得到應插入的數組下標。
- 然后判斷該下標處是否為null，如果為null則初始化此下標。
- 構造一個新的節點，并插入到適當位置，注意節點中的hash值應為原hashCode經過位翻轉并將***位置1之后的值。
- 將節點個數計數器加1，若加1后節點過多，則僅需將size改為size*2，代表對數組擴容（ReHash）。
查找操作
- 找出待查找節點在數組中的下標。
- 判斷該下標處是否為null，如果為null則返回查找失敗。
- 從相應位置進入鏈表，順次尋找，直至找出待查找節點或超出本組節點范圍。
刪除操作
- 找出應刪除節點在數組中的下標。
- 判斷該下標處是否為null，如果為null則初始化此下標。
- 找到待刪除節點，并從鏈表中刪除。（注意由于哨兵節點的存在，任何正常元素只被其唯一的前驅節點所引用，不存在被前驅節點與數組中指針同時引用的情況，從而不會出現需要同時修改多個指針的情況）
- 將節點個數計數器減1。
