面試突擊：為什么ConcurrentHashMap是線程安全的？
ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多線程版本，HashMap 在并發操作時會有各種問題，比如死循環問題、數據覆蓋等問題。而這些問題，只要使用 ConcurrentHashMap 就可以完美解決了，那問題來了，ConcurrentHashMap 是如何保證線程安全的?它的底層又是如何實現的?接下來我們一起來看。
JDK 1.7 底層實現
ConcurrentHashMap 在不同的 JDK 版本中實現是不同的，**在 JDK 1.7 中它使用的是數組加鏈表的形式實現的，而數組又分為：大數組 Segment 和小數組 HashEntry。**大數組 Segment 可以理解為 MySQL 中的數據庫，而每個數據庫(Segment)中又有很多張表 HashEntry，每個 HashEntry 中又有多條數據，這些數據是用鏈表連接的，如下圖所示：
JDK 1.7 線程安全實現了解了 ConcurrentHashMap 的底層實現，再看它的線程安全實現就比較簡單了。接下來，我們通過添加元素 put 方法，來看 JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 是如何保證線程安全的，具體實現源碼如下：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 在往該 Segment 寫入前，先確保獲取到鎖
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// Segment 內部數組
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
// 更新已有值...
}
else {
// 放置 HashEntry 到特定位置，如果超過閾值則進行 rehash
// 忽略其他代碼...
}
}
} finally {
// 釋放鎖
unlock();
}
return oldValue;
}
從上述源碼我們可以看出，Segment 本身是基于 ReentrantLock 實現的加鎖和釋放鎖的操作，這樣就能保證多個線程同時訪問 ConcurrentHashMap 時，同一時間只有一個線程能操作相應的節點，這樣就保證了 ConcurrentHashMap 的線程安全了。也就是說 ConcurrentHashMap 的線程安全是建立在 Segment 加鎖的基礎上的，所以我們把它稱之為分段鎖或片段鎖，如下圖所示：
JDK 1.8 底層實現
在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 雖然是線程安全的，但因為它的底層實現是數組 + 鏈表的形式，所以在數據比較多的情況下訪問是很慢的，因為要遍歷整個鏈表，而 JDK 1.8 則使用了數組 + 鏈表/紅黑樹的方式優化了 ConcurrentHashMap 的實現，具體實現結構如下：
鏈表升級為紅黑樹的規則：當鏈表長度大于 8，并且數組的長度大于 64 時，鏈表就會升級為紅黑樹的結構。
PS：ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 雖然保留了 Segment 的定義，但這僅僅是為了保證序列化時的兼容性，不再有任何結構上的用處了。
JDK 1.8 線程安全實現
在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是 CAS + volatile 或 synchronized 的方式來保證線程安全的，它的核心實現源碼如下：
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<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 節點為空
// 利用 CAS 去進行無鎖線程安全操作，如果 bin 是空的
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
break;
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else if (onlyIfAbsent
&& fh == hash
&& ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
&& (fv = f.val) != null)
return fv;
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
// 細粒度的同步修改操作...
}
}
// 如果超過閾值，升級為紅黑樹
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
從上述源碼可以看出，在 JDK 1.8 中，添加元素時首先會判斷容器是否為空，如果為空則使用 volatile 加 CAS 來初始化。如果容器不為空則根據存儲的元素計算該位置是否為空，如果為空則利用 CAS 設置該節點;如果不為空則使用 synchronize 加鎖，遍歷桶中的數據，替換或新增節點到桶中，最后再判斷是否需要轉為紅黑樹，這樣就能保證并發訪問時的線程安全了。我們把上述流程簡化一下，我們可以簡單的認為在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 是在頭節點加鎖來保證線程安全的，鎖的粒度相比 Segment 來說更小了，發生沖突和加鎖的頻率降低了，并發操作的性能就提高了。而且 JDK 1.8 使用的是紅黑樹優化了之前的固定鏈表，那么當數據量比較大的時候，查詢性能也得到了很大的提升，從之前的 O(n) 優化到了 O(logn) 的時間復雜度，具體加鎖示意圖如下：
總結
ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 時使用的是數據加鏈表的形式實現的，其中數組分為兩類：大數組 Segment 和小數組 HashEntry，而加鎖是通過給 Segment 添加 ReentrantLock 鎖來實現線程安全的。而 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是數組+鏈表/紅黑樹的方式實現的，它是通過 CAS 或 synchronized 來實現線程安全的，并且它的鎖粒度更小，查詢性能也更高。
