HashMap、ConcurrentHashMap、HashTable、CopyOnWriteArrayList源码分析

HashMap

• HashMap ：先说HashMap，HashMap是线程不安全的，在并发环境下，可能会形成环状链表（扩容时可能造成，具体原因自行百度google或查看源码分析），导致get操作时，cpu空转，所以，在并发环境中使用HashMap是非常危险的。
• HashTable ： HashTable和HashMap的实现原理几乎一样，差别无非是1.HashTable不允许key和value为null；2.HashTable是线程安全的。但是HashTable线程安全的策略实现代价却太大了，简单粗暴，get/put所有相关操作都是synchronized的，这相当于给整个哈希表加了一把大锁，多线程访问时候，只要有一个线程访问或操作该对象，那其他线程只能阻塞，相当于将所有的操作串行化，在竞争激烈的并发场景中性能就会非常差。HashTable性能差主要是由于所有操作需要竞争同一把锁，而如果容器中有多把锁，每一把锁锁一段数据，这样在多线程访问时不同段的数据时，就不会存在锁竞争了，这样便可以有效地提高并发效率。这就是ConcurrentHashMap所采用的"分段锁"思想。

HashMap

首先看看HashMap的结构图,采用了数组+链表的方式。

实现原理

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, 
Cloneable, Serializable {
//实际存储的key-value键值对的个数
transient int size;
//阈值，当table == {}时，该值为初始容量（初始容量默认为16）；当table被填充了，也就是为table分配内存空间后，threshold一般为 capacity*loadFactory。HashMap在进行扩容时需要参考threshold，后面会详细谈到
int threshold;
//负载因子，代表了table的填充度有多少，默认是0.75
final float loadFactor;
//用于快速失败，由于HashMap非线程安全，在对HashMap进行迭代时，如果期间其他线程的参与导致HashMap的结构发生变化了（比如put，remove等操作），需要抛出异常ConcurrentModificationException
transient int modCount;
//HashMap的主干数组，可以看到就是一个Entry数组，初始值为空数组{}，主干数组的长度一定是2的次幂，至于为什么这么做，后面会有详细分析。
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
　//此处对传入的初始容量进行校验，最大不能超过MAXIMUM_CAPACITY = 1<<30(230)
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = initialCapacity;
　　　　　
        init();//init方法在HashMap中没有实际实现，不过在其子类如 linkedHashMap中就会有对应实现
}
public V put(K key, V value) {
        //如果table数组为空数组{}，进行数组填充（为table分配实际内存空间），入参为threshold，此时threshold为initialCapacity 默认是1<<4(24=16)
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
       //如果key为null，存储位置为table[0]或table[0]的冲突链上
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);//对key的hashcode进一步计算，确保散列均匀
        int i = indexFor(hash, table.length);//获取在table中的实际位置
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        //如果该对应数据已存在，执行覆盖操作。用新value替换旧value，并返回旧value
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;//保证并发访问时，若HashMap内部结构发生变化，快速响应失败
        addEntry(hash, key, value, i);//新增一个entry
        return null;
}
public V get(Object key) {
　　　　 //如果key为null,则直接去table[0]处去检索即可。
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);
        return null == entry ? null : entry.getValue();
 }
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        //通过key的hashcode值计算hash值
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        //indexFor (hash&length-1) 获取最终数组索引，然后遍历链表，通过equals方法比对找出对应记录
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && 
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
}
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构
    int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算
    /**
     * Creates new entry.
     */
    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
}

ConcurrentHashMap

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                               float loadFactor, int concurrencyLevel) {
          if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
              throw new IllegalArgumentException();
          //MAX_SEGMENTS 为1<<16=65536，也就是最大并发数为65536
          if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
              concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
          //2的sshif次方等于ssize，例:ssize=16,sshift=4;ssize=32,sshif=5
         int sshift = 0;
         //ssize 为segments数组长度，根据concurrentLevel计算得出
         int ssize = 1;
         while (ssize < concurrencyLevel) {
             ++sshift;
             ssize <<= 1;
         }
         //segmentShift和segmentMask这两个变量在定位segment时会用到，后面会详细讲
         this.segmentShift = 32 - sshift;
         this.segmentMask = ssize - 1;
         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
         //计算cap的大小，即Segment中HashEntry的数组长度，cap也一定为2的n次方.
         int c = initialCapacity / ssize;
         if (c * ssize < initialCapacity)
             ++c;
         int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
         while (cap < c)
             cap <<= 1;
         //创建segments数组并初始化第一个Segment，其余的Segment延迟初始化
         Segment<K,V> s0 =
             new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                              (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
         Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
         UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); 
         this.segments = ss;
     }
public V put(K key, V value) {
        Segment<K,V> s;
        //concurrentHashMap不允许key/value为空
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        //hash函数对key的hashCode重新散列，避免差劲的不合理的hashcode，保证散列均匀
        int hash = hash(key);
        //返回的hash值无符号右移segmentShift位与段掩码进行位运算，定位segment
        int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
        if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
             (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
            s = ensureSegment(j);
        return s.put(key, hash, value, false);
    }
public V get(Object key) {
        Segment<K,V> s; 
        HashEntry<K,V>[] tab;
        int h = hash(key);
        long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
        //先定位Segment，再定位HashEntry
        if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
            (tab = s.table) != null) {
            for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
                     (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
                 e != null; e = e.next) {
                K k;
                if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
                    return e.value;
            }
        }
        return null;
    }
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
                scanAndLockForPut(key, hash, value);//tryLock不成功时会遍历定位到的HashEnry位置的链表（遍历主要是为了使CPU缓存链表），若找不到，则创建HashEntry。tryLock一定次数后（MAX_SCAN_RETRIES变量决定），则lock。若遍历过程中，由于其他线程的操作导致链表头结点变化，则需要重新遍历。
            V oldValue;
            try {
                HashEntry<K,V>[] tab = table;
                int index = (tab.length - 1) & hash;//定位HashEntry，可以看到，这个hash值在定位Segment时和在Segment中定位HashEntry都会用到，只不过定位Segment时只用到高几位。
                HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
                for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
                    if (e != null) {
                        K k;
                        if ((k = e.key) == key ||
                            (e.hash == hash && key.equals(k))) {
                            oldValue = e.value;
                            if (!onlyIfAbsent) {
                                e.value = value;
                                ++modCount;
                            }
                            break;
                        }
                        e = e.next;
                    }
                    else {
                        if (node != null)
                            node.setNext(first);
                        else
                            node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                        int c = count + 1;
　　　　　　　　　　　　　　//若c超出阈值threshold，需要扩容并rehash。扩容后的容量是当前容量的2倍。这样可以最大程度避免之前散列好的entry重新散列，具体在另一篇文章中有详细分析，不赘述。扩容并rehash的这个过程是比较消耗资源的。
                        if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                            rehash(node);
                        else
                            setEntryAt(tab, index, node);
                        ++modCount;
                        count = c;
                        oldValue = null;
                        break;
                    }
                }
            } finally {
                unlock();
            }
            return oldValue;
        }

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器，它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList，写操作则通过创建底层数组的新副本来实现，是一种读写分离的并发策略，我们也可以称这种容器为"写时复制器"，Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet。

实现原理
我们都知道，集合框架中的ArrayList是非线程安全的，Vector虽是线程安全的，但由于简单粗暴的锁同步机制，性能较差。而CopyOnWriteArrayList则提供了另一种不同的并发处理策略。很多时候，我们的系统应对的都是读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。

优缺点分析
了解了CopyOnWriteArrayList的实现原理，分析它的优缺点及使用场景就很容易了。

• 优点：读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了

• 缺点：缺点也很明显，一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC；二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。

public boolean add(E e) {
        //ReentrantLock加锁，保证线程安全
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //拷贝原容器，长度为原容器长度加一
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            //在新副本上执行添加操作
            newElements[len] = e;
            //将原容器引用指向新副本
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            //解锁
            lock.unlock();
        }
}
public E remove(int index) {
        //加锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);
            int numMoved = len - index - 1;
            if (numMoved == 0)
                //如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                //否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            //解锁
            lock.unlock();
        }
}
public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
}

参考博客
1.HashMap实现原理及源码分析
2.CopyOnWriteArrayList实现原理及源码分析
3. 造成HashMap非线程安全的原因