java 面试--concurrentHashMap
在之前的文章中，已经发布了常见的面试题，这里我花了点时间整理了一下对应的解答，由于个人能力有限，不一定完全到位，如果有解答的不合理的地方还请指点，在此谢过。
本文主要描述的是java多线程中高频面试点concurrentHashMap，concurrentHashMap在实现上和hashMap有很多相似之处。比如底层的数据结构，扩容的倍数，计算table值等等。和hashMap最大的区别就是如何保证线程安全，下面我们也会重点描述其线程安全的保证。如果对hashMap的内容感兴趣，可以看下公众号中之前的文章，有关于hashmap的面试和hashmap的源码解析。如果对java多线程感兴趣的同学可以看下公众号里多线程系列的文章，也许会对你有些帮助。
ConcurrentHashMap的源码有看过，说说其put和get流程？
concurrentHashMap是concurrent包中的重点内容，其put和get过程和hashMap的实现有一定的相似之处，毕竟底层的数据结构是一致的如下。
put过程：
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());//计算hash值，这个hash的计算是为了达到更均匀的分布
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)//如果还没初始化，直接初始化
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {//如果该位置暂时没有值
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // cas添加第一个值
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)//如果正在扩容
tab = helpTransfer(tab, f);//帮助扩容
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {//锁住该hash桶的头节点
if (tabAt(tab, i) == f) {//如果是第一个节点
if (fh >= 0) {//如果是链表
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {//遍历该链表
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {//hash和equals相等
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)//直接替换
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {//为空，新增
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {//红黑树节点
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {//添加节点
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)//判断是否超过门限值
treeifyBin(tab, i);//转换为红黑树
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);//添加数据，如果长度超过就扩容
return null;
}
Put的过程大致可以分为以下几个步骤：
1）求出hash值
2）是否已经初始化数组，如果没有初始化
3）是否该位置为空，空的话直接cas设置第一个节点
4）判断是否正在扩容，如果正在扩容，就加入一起进行扩容
5）如果不为空的话，锁住头结点，开始进行插入操作，如果是链表，就遍历是否相同，如果是红黑树就直接添加
6）添加完成之后，判断是否需要扩容，如果超过阈值就扩容。
上面标红的几个操作是concurrentHashMap和hashMap 的区别，这几个点，就是concurrentHashMap在添加过程保证线程安全的。
Get过程：
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode());//求出hashcode值
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))//如果第一个节点找到了直接返回
return e.val;
}
else if (eh < 0)//如果eh<0说明是红黑树或者正在扩容
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {//链表结构，直接遍历
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
Get的流程:
1) 获取hash值
2) 如果是第一个节点，直接返回
3) 如果不是，判断是否正在扩容或者是红黑树，那就调用find方法
4) 如果不是，那就是链表结构，直接while寻找
get过程为什么没有和put过程一样需要加锁？原因在于node中的val是volatile，我们每次取出来的是最新的值，这里使用的是volatile的可见性。
聊聊ConcurrentHashMap扩容的过程？什么是协助扩容？
ConcurrentHashMap的扩容过程允许多个线程同时操作，当一个线程在put的时候，发现正在扩容的话，就会帮助一起扩容，这个过程称为协助扩容。如何判断是否正在扩容，concurrentHashMap使用sizectl来进行控制。我们先看下sizectl的状态变化。
协助扩容过程：
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
Node<K,V>[] nextTab; int sc;
if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&//如果该节点是ForwardingNode，说明有线程正在扩容
(nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {//已经扩容的nextTable不为空
int rs = resizeStamp(tab.length);
while (nextTab == nextTable && table == tab &&
(sc = sizeCtl) < 0) {
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)//帮助扩容的条件判断，判断扩容线程是否超限
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {//设置sizectl的值
transfer(tab, nextTab);//数据迁移
break;
}
}
return nextTab;//返回新的hash数组
}
return table;//返回旧的hash数组
}
真正的扩容过程在transfer函数，其实现的核心思路是：设置一个步长，每次搬迁数据的一个步长的数据，搬迁完之后再来申请搬迁下一个步长。源码扩容部分很长，但是建议还是看下。
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
// 设置步长，分核数区别设置
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
// 第一个线程先创建nextTab
if (nextTab == null) {
try {
// 容量翻倍
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) {
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;
}
// 新table的长度
int nextn = nextTab.length;
// ForwardingNode表示已经迁移过的结点，hash值为MOED(-1)
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;// advance 标识迁移是否完成
boolean finishing = false; // 表识确保可以提交
// i 是索引值，bound 是本次迁移的边界值
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
// i = transferIndex，bound = transferIndex-stride
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
// 原TABLE的所有位置都有线程去处理了
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;//设置为不需要
}
else if (U.compareAndSwapInt//cas设置边界值
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
// 是否完成所有的迁移工作
if (finishing) {
nextTable = null;
table = nextTab;// 将新的 nextTab 赋值给 table 属性
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);// 重新计算 sizeCtl
return;//返回
}
// 修改sizeCtl的值
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
// 退出方法
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
finishing = advance = true;
i = n; // 提交前再次确认
}
}
// 如果位置 i 处是空的，使用cas设置初始化的 fwd节点
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
// 该位置已经迁移过了
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // 已经处理过了
//需要迁移
else {
synchronized (f) {// 迁移前加锁，开始迁移
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
// 链表迁移，将链表一分为二，分别搬移
if (fh >= 0) {
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
int b = p.hash & n;
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
if ((ph & n) == 0)
ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
// 其中的一个链表放在新数组的位置 i
setTabAt(nextTab, i, ln);
// 另一个链表放在新数组的位置 i+n
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 将原数组该位置处设置为 fwd，代表该位置已经处理完毕，
setTabAt(tab, i, fwd);
// 设置该位置已经迁移完毕
advance = true;
}
else if (f instanceof TreeBin) {
// 红黑树的迁移，拆分为2
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {
if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {
if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
//节点数少于 8，红黑树转换回链表
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
// 将 ln 放置在新数组的位置 i
setTabAt(nextTab, i, ln);
// 将 hn 放置在新数组的位置 i+n
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 将原数组该位置处设置为 fwd，代表该位置已经处理完毕，
setTabAt(tab, i, fwd);
// advance 设置为 true，代表该位置已经迁移完毕
advance = true;
}
}
}
}
}
}
ConcurrentHashMap是怎么保证线程安全的？
1. CAS操作数据：sizectl的修改，扩容数值等修改使用cas保证数据修改的原子性。
2. synchronized互斥锁：put和扩容过程，使用synchronized保证线程只有一个操作，保证线程安全。
3. volatile修饰变量：table、sizeCtl等变量用volatile修饰，保证可见性
ConcurrentHashMap是面试中高频知识点，本文主要描述和HashMap的区别点，这也是面试中常问的点，结合之前的HashMap一起看下，可能会帮助你更好的理解。本文篇幅相比之前偏长，主要是介绍了concurrentHashMap的源码内容，这个如果有时间可以看看，没时间的话，可以记下过程结论。
本文的内容就这么多，如果你觉得对你的学习和面试有些帮助，帮忙点个赞或者转发一下哈，谢谢。