【并发容器】ConcurrentHashMap 在 Java7 和 8 有何不同？
大家好，我是Coder哥，在技术日新月异的今天，真正应该花费时间学习的是那些不变的编程思想，上一章 【并发容器】HashMap 为什么是线程不安全的？】 聊了HashMap 我们知道HashMap 是线程不安全的容器，那线程安全的是哪个呢，我们本章聊一下线程安全的HashMap: ConcurrentHashMap
在 Java 8 中，对于 ConcurrentHashMap 这个常用的工具类进行了很大的升级，对比之前 Java 7 版本在诸多方面都进行了调整和变化。不过，在 Java 7 中的 Segment 的设计思想依然具有参考和学习的价值，所以在很多情况下面试官都会问你：ConcurrentHashMap 在 Java 7 和 Java 8 中的结构分别是什么？它们有什么相同点和不同点？所以本课时就对 ConcurrentHashMap 在这两个版本的特点和性质进行对比和介绍。
Java 7 版本的 ConcurrentHashMap
我们首先来看一下 Java 7 版本中的 ConcurrentHashMap 的结构示意图：
从图中我们可以看出，在 Java 7 中，ConcurrentHashMap 使用了 Segment 进行分段锁设计，这是一个相对高效的并发容器。每个 Segment 都继承自 ReentrantLock，每个段拥有独立的锁，因此操作不同的段时不会相互干扰，显著提高了并发效率。相比于 Hashtable，ConcurrentHashMap 通过分段锁减少了锁的粒度，避免了全局锁的竞争。
每个 Segment 内部结构类似于 HashMap，采用数组和链表的组合（拉链法）。在 Java 7 中，ConcurrentHashMap 默认初始化了 16 个 Segment，这意味着最多支持 16 个线程并发访问不同的 Segment。需要注意的是，这个数量一旦初始化后就不能动态扩展。
Java 8 版本的 ConcurrentHashMap
Java 8 中，ConcurrentHashMap 经过了彻底的重写，设计和实现发生了较大变化，源码量从 Java 7 的 1000 行大幅增加到 6000 多行。为了帮助大家理解 Java 8 的设计思路，我们首先从整体架构入手，然后再深入探讨细节。
在 Java 8 中，ConcurrentHashMap 的内部结构引入了三种不同的节点类型：
- 空节点: 空着的位置表示当前位置还没有元素。
- 链表节点: 和 HashMap 非常类似的拉链法结构，在每一个槽中会首先填入第一个节点，但是后续如果计算出相同的 Hash 值，当哈希冲突发生时，多个元素通过链表连接。
- 红黑树节点: 当链表长度超过某个阈值（默认 8）时，链表会转化为红黑树，以提升查找效率。这是 Java 7 的 ConcurrentHashMap 中所没有的结构，在此之前我们可能也很少接触这样的数据结构。
这一改进解决了 Java 7 中链表查找效率低的问题。在 Java 8 中，红黑树的引入确保了即使在大量哈希冲突的情况下，查找操作的时间复杂度也能保持在 O(log n)，相比 Java 7 中可能退化到 O(n) 的链表查找，性能有了显著提升。所以，Java 8 的一个重要变化就是引入了红黑树的设计，由于红黑树并不是一种常见的数据结构，所以我们在此简要介绍一下红黑树的特点。
红黑树是每个节点都带有颜色属性的二叉查找树，颜色为红色或黑色，红黑树的本质是对二叉查找树 BST 的一种平衡策略，我们可以理解为是一种平衡二叉查找树，查找效率高，会自动平衡，防止极端不平衡从而影响查找效率的情况发生。
由于自平衡的特点，即左右子树高度几乎一致，所以其查找性能近似于二分查找，时间复杂度是 O(log(n)) 级别；反观链表，它的时间复杂度就不一样了，如果发生了最坏的情况，可能需要遍历整个链表才能找到目标元素，时间复杂度为 O(n)，远远大于红黑树的 O(log(n))，尤其是在节点越来越多的情况下，O(log(n)) 体现出的优势会更加明显。
红黑树的一些其他特点：
- 每个节点要么是红色，要么是黑色.
- 根节点永远是黑色的。
- 红色节点不能连续，也就是说，红色节点的子和父都不能是红色的。
- 从任一节点到其每个叶子节点的路径都包含相同数量的黑色节点。
正是由于这些规则和要求的限制，红黑树保证了较高的查找效率，所以现在就可以理解为什么 Java 8 的 ConcurrentHashMap 要引入红黑树了。好处就是避免在极端的情况下冲突链表变得很长，在查询的时候，效率会非常慢。而红黑树具有自平衡的特点，所以，即便是极端情况下，也可以保证查询效率在 O(log(n))。
分析 Java 8 版本的 ConcurrentHashMap 的重要源码
前面我们讲解了 Java 7 和 Java 8 中 ConcurrentHashMap 的主体结构，下面我们深入源码分析。由于 Java 7 版本已经过时了，所以我们把重点放在 Java 8 版本的源码分析上。
Node 节点
我们先来看看最基础的内部存储结构 Node，这就是一个一个的节点，如这段代码所示：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val;
volatile Node<K,V> next;
// ...
}
可以看出，每个 Node 里面是 key-value 的形式，并且把 value 用 volatile 修饰，以便保证可见性，同时内部还有一个指向下一个节点的 next 指针，方便产生链表结构。
下面我们看两个最重要、最核心的方法。
put 方法源码分析
put 方法的核心是 putVal 方法，为了方便阅读，我把重要步骤的解读用注释的形式补充在下面的源码中。我们逐步分析这个最重要的方法，这个方法相对有些长，我们一步一步把它看清楚。
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) {
throw new NullPointerException();
}
//计算 hash 值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K, V>[] tab = table; ; ) {
Node<K, V> f;
int n, i, fh;
//如果数组是空的，就进行初始化
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
tab = initTable();
}
// 找该 hash 值对应的数组下标
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//如果该位置是空的，就用 CAS 的方式放入新值
if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K, V>(hash, key, value, null))) { break;
}
}
//hash值等于 MOVED 代表在扩容
else if ((fh = f.hash) == MOVED) {
tab = helpTransfer(tab, f);
}
//槽点上是有值的情况
else {
V oldVal = null;
//用 synchronized 锁住当前槽点，保证并发安全
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
//如果是链表的形式
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
//遍历链表
for (Node<K, V> e = f; ; ++binCount) {
K ek;
//如果发现该 key 已存在，就判断是否需要进行覆盖，然后返回 if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent) {
e.val = value;
}
break;
}
Node<K, V> pred = e;
//到了链表的尾部也没有发现该 key，说明之前不存在，就把新值添加到链表的最后 if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K, V>(hash, key, value, null); break;
}
}
}
//如果是红黑树的形式
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K, V> p;
binCount = 2;
//调用 putTreeVal 方法往红黑树里增加数据
if ((p = ((TreeBin<K, V>) f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent) {
p.val = value;
}
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
//检查是否满足条件并把链表转换为红黑树的形式，默认的 TREEIFY_THRESHOLD 阈值是 8 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) {
treeifyBin(tab, i);
}
//putVal 的返回是添加前的旧值，所以返回 oldVal
if (oldVal != null) {
return oldVal;
}
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
通过以上的源码分析，我们对于 putVal 方法有了详细的认识，可以看出，方法中会逐步根据当前槽点是未初始化、空、扩容、链表、红黑树等不同情况做出不同的处理。
get 方法源码分析
get 方法比较简单，我们同样用源码注释的方式来分析一下：
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab;
Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
//计算 hash 值
int h = spread(key.hashCode());
//如果整个数组是空的，或者当前槽点的数据是空的，说明 key 对应的 value 不存在，直接返回 null
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
//判断头结点是否就是我们需要的节点，如果是则直接返回
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))) return e.val;
}
//如果头结点 hash 值小于 0，说明是红黑树或者正在扩容，就用对应的 find 方法来查找
else if (eh < 0) return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
//遍历链表来查找
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) return e.val;
}
}
return null;
}
总结一下 get 的过程：
- 计算 Hash 值，并由此值找到对应的槽点；
- 如果数组是空的或者该位置为 null，那么直接返回 null 就可以了；
- 如果该位置处的节点刚好就是我们需要的，直接返回该节点的值；
- 如果该位置节点是红黑树或者正在扩容，就用 find 方法继续查找；
- 否则那就是链表，就进行遍历链表查找。
对比Java7 和Java8 的异同和优缺点
数据结构
正如本课时最开始的两个结构示意图所示，Java 7 采用 Segment 分段锁来实现，而 Java 8 中的 ConcurrentHashMap 使用数组 + 链表 + 红黑树，在这一点上它们的差别非常大。
并发度
Java 7 中，每个 Segment 独立加锁，最大并发个数就是 Segment 的个数，默认是 16。
但是到了 Java 8 中，锁粒度更细，理想情况下 table 数组元素的个数（也就是数组长度）就是其支持并发的最大个数，并发度比之前有提高。
保证并发安全的原理
Java 7 采用 Segment 分段锁来保证安全，而 Segment 是继承自 ReentrantLock。
Java 8 中放弃了 Segment 的设计，采用 Node + CAS + synchronized 保证线程安全。
遇到 Hash 碰撞
Java 7 在 Hash 冲突时，会使用拉链法，也就是链表的形式。
Java 8 先使用拉链法，在链表长度超过一定阈值时，将链表转换为红黑树，来提高查找效率。
查询时间复杂度
Java 7 遍历链表的时间复杂度是 O(n)，n 为链表长度。
Java 8 如果变成遍历红黑树，那么时间复杂度降低为 O(log(n))，n 为树的节点个数。
最后
从 Java 7 到 Java 8，ConcurrentHashMap 进行了结构和实现的重大改进。Java 8 引入的红黑树、大幅提高了并发度并优化了性能，使得在高并发环境下的 ConcurrentHashMap 更加高效。通过这些优化，ConcurrentHashMap 成为 Java 中处理高并发场景的重要工具之一。掌握这些细节不仅有助于我们更好地理解并发容器的设计，还能帮助我们在面试中应对有关并发容器的经典问题。
希望这篇文章能够为你理解 Java 中并发容器的演变过程提供有价值的参考。
书籍推荐:
《计算机内功修炼系列》：https://www.todocoder.com/pdf/jichu/001001.html
《Java编程思想》 ：https://www.todocoder.com/pdf/java/002002.html
《Java并发编程实战》 ：https://www.todocoder.com/pdf/java/002004.html