[Java]HashMap与ConcurrentHashMap的一些总结

HashMap与ConcurrentHashMap的一些总结

HashMap底层数据结构

JDK7：数组+链表

JDK8：数组+链表+红黑树

JDK8中的HashMap什么时候将链表转为红黑树？

当发现链表中的元素大于8之后，判断当前数组长度，如果数组长度小于64并不会马上转为红黑树，而是进行扩容。因为如果数组长度还比较小，就先利用扩容来缩小链表的长度。只有当链表中元素个数大于8，且数组长度大于64时才会将链表转为红黑树。

JDK8中的HashMap为什么要使用红黑树？

在HashMap中，当元素的个数小于8时，链表的插入查询效率高于红黑树；当元素的个数大于8时，链表的插入查询效率小于红黑树。

JDK8中的HashMap的put方法的实现过程

• 根据key生成hashcode
• 判断当前HashMap对象中的数组是否为空，如果是空则对数组进行初始化
• 根据逻辑与运算，算出hashcode基于当前数组对应的数组下标i
• 判断数组中第i个位置的元素（以下称为tab[i]）是否为空
  • 如果是空的，则将key-value值封装为Node对象赋值给 tab[i]
  • 如果不是空的，判断put传入的key是否等于 tab[i].key：
    • 如果等于那么说明存在相同key
    • 如果不等，判断tab[i]的类型：
      • tab[i]的类型为TreeNode，表示第i个位置上的是红黑树，那么就将key-value值插入到红黑树中，并且在插入之前判断红黑树中是否存在相同key
      • tab[i]的类型不是TreeNode，表示第i个位置上的是链表，那么遍历链表查看是否有相同key，并在遍历过程中对链表的节点数进行计数，当遍历到最后一个节点时将key-value封装为Node插入链表尾部，同时判断插入新节点之前的链表节点个数是否大于8，如果是，则将链表改为红黑树
  • 如果上述步骤发现存在相同key，则根据onlyIfAbsent标记来判断是否需要更新value值，然后返回oldValue
• modCount++
• HashMap的元素个数size加1
• 如果size大于扩容的阈值， 则进行扩容

JDK8中的HashMap的get方法实现过程

• 根据key生成hashcode
• 如果数组为空，则直接返回空
• 如果数组不为空，则利用hashcode和数组长度通过逻辑与操作算出key所对应的数组下标i
• 如果数组的第i个位置上没有元素，则直接返回空
• 如果数组的第1个位上的元素的key等于get方法所传进来的key， 则返回该元素，并获取该元素的value
• 如果不等于则判断该元素还有没有下一个元素，如果没有，返回空
• 如果有则判断该元素的类型是链表结点还是红黑树结点
• 如果是链表则遍历链表
• 如果是红黑树则遍历红黑树
• 找到即返回元素，没找到的则返回空

JDK7和JDK8中的HashMap的不同点

• 8中使用了红黑树
• 7中的链表使用的是头插法，8中链表使用的是尾插法
• 7中的Hash算法比比8中的更复杂。Hash算法更复杂生成的hashcode更散列，查询性能更好，但是性能越低。8中因为使用了红黑树使性能得到了保障所以简化了Hash算法。
• 扩容过程中7有可能对key重新进行哈希，但是8没有这个逻辑
• 8的扩容条件和7的扩容条件不同
• 8中多了一个API：putIfAbsent(key ,value)
• 7和8的扩容过程中转移元素的逻辑不同

JDK7中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全

主要利用Unsafe操作 + ReentrantLock+分段思想。分段数越高则支持的最大并发量越高。

ConcurrentHashMap的内部类Segment就是用来表示某一个段的。

每个Segment就是一个小型的HashMap的， 当调用ConcurrentHashMap的put方法是，最终会调用到Segment的put方法，而Segment类继承了ReentrantLock，所以Segment自带可重入锁，当调用到Segment的put方法时，会先利用可重入锁加锁， 加锁成功后再将待插入的key,value插入到小型HashMap中，插入完成后解锁。

JDK7中的ConcurrentHashMap的底层原理

ConcurrentHashMap底层是由两层嵌套数组来实现的：

• ConcurrentHashMap对象中有一个属性segments， 类型为Segment[];
• Segment对象中有一个属性table，类型为HashEntry[];当调用ConcurrentHashMap的put方法时，先根据key计算出对应的Segment[]的数组下标j，确定好当前key,value应该插入到哪个Segment对象中，如果segments[j]为空，则利用自旋锁的方式在j位置生成一个 Segment对象。然后调用Segment对象的put方法。Segment对象的put方法会先加锁， 然后也根据key计算出对应的HashEntry[]的数组下标i，然后将 key,value封装为HashEntry对象放入该位置，此过程和JDK7的HashMap的put方法一样，然后解锁。在加锁的过程中逻辑比较复杂，先通过自旋加锁，如果超过一 定次数就会直接阻塞等等加锁。

JDK8中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全

主要利用Unsafe操作 + synchronized关键字。

Unsafe操作的使用仍然和JDK7中的类似，主要负责并发安全的修改对象的属性或数组某个位置的值。

synchronized主要负责在需要操作某个位置时进行加锁（该位置不为空），比如向某个位置的链表进行插入结点，向某个位置的红黑树插入结点。JDK8中其实仍然有分段锁的思想，只不过JDK7中段数是可以控制的，而JDK8中是数组的每一个位置都有一把锁。
当向ConcurrentHashMap中put一个key,value时：

• 首先根据key计算对应的数组下标i，如果该位置没有元素，则通过自旋的方法去向该位置赋值。
• 如果该位置有元素，则synchronized会加锁
• 加锁成功之后， 在判断该元素的类型：
  • 如果是链表节点则进行添加节点到链表中
  • 如果是红黑树则添加节点到红黑树
• 添加成功后，判断是否需要进行树化
• addCount，这个方法的意思是ConcurrentHashMap的元素个数加1，但是这个操作也是需要并发安全的，并且元素个数加1成功后，会继续判断是否要进行扩容，如果需要，则会进行扩容，所以这个方法很重要。
• 同时一个线程在put时如果发现当前ConcurrentHashMap正在进行扩容则会去帮助扩容。

JDK7和JDK8中的ConcurrentHashMap的不同点

• 首先是包括了HashMap中的不同点
• JDK8中没有分段锁了， 而是使用synchronized来进行控制
• JDK8中的扩容性能更高， 支持多线程同时扩容， 实际上JDK7中也支持多线程扩容，因为JDK7中的扩容是针对每个Segment的，所以也可能多线程扩容， 但是性能没有JDK8高， 因为JDK8中对于任意一个线程都可以去帮助扩容
• JDK8中的元素个数统计的实现也不一 样了，JDK8中增加了CounterCell来帮助计数，而JDK7中没有，JDK7中是put的时候每个Segment内部计数，统计的时候是遍历每个Segment对象加锁统计。