ConcurrentHashMap1.8源码分析
ConcurrentHashMap是在JDK5种引入的线程安全的哈希式集合，在JDK8之前采用了分段锁的设计理念，相当于Hashtable与HashMap的折中
版本，这是效率与一致性权衡后的结果。
分段锁是由内部类Segment实现的，它继承于ReentrantLock，用来管理它辖区的各个HashEntry，通过加锁的方式，保证每个Segment内都不
发生冲突。
1.8版本的ConcurrentHashMap对JDK7的版本进行了三点改造：
1）、取消分段锁机制，进一步降低冲突概率
2）、引入红黑树结构。同一个哈希槽上的元素个数超过一定阀值，单向链表改为红黑树结构
3）、使用了更加优化的方式统计集合内的元素数量。
首先，Map原有的size()方法最大只能表示到2^31-1，ConcurrentHashMap额外提供了mappingCount()方法，用来返回集合内元素的数量，
最大可以表示到2^63-1。此外，在元素总数更新时，使用了CAS和多种优化以提高并发能力。
相关属性定义：
/** * 默认为null，ConcurrentHashMao存放数据的地方，扩容时大小总是2的幂次方 * 初始化发生在第一次插入操作，数组默认初始化大小为16 */ transient volatile Node<K,V>[] table; /** * 默认为null，扩容时新生成的数组，其大小为原数组的两倍 */ private transient volatile Node<K,V>[] nextTable; /** * 存储单个KV数据节点。内部有key、value、hash、next指向下一个节点 * 它有4个在ConcurrentHashMap类内部定义的子类：TreeBin、TreeNode、ForwarddingNode、ReservationNode * 前三个子类都重写了查找元素的重要方法find(). */ static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; volatile V val; volatile Node<K,V> next; } /** * 它并不存储实际数据，维护对桶内红黑树的读写锁，存储对红黑树节点的引用 */ static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> { TreeNode<K,V> root; volatile TreeNode<K,V> first; volatile Thread waiter; volatile int lockState; } /** * 在红黑树中，实际存储数据的节点 */ static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> { TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links TreeNode<K,V> left; TreeNode<K,V> right; TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion boolean red; } /** * 扩容转发节点，放置此节点后，外部对原有哈希槽的操作会转发到nextTable上 */ static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> { final Node<K,V>[] nextTable; } /** * 占位加锁节点。执行某些方法时，对其加锁，如computeIfAbsent等 */ static final class ReservationNode<K,V> extends Node<K,V> { } /** * 默认为0，重要属性，用来控制table的初始化和扩容操作 * sizeCtl=-1，表示正在初始化中 * sizeCtl=-n，表示n-1个线程正在进行扩容中 * sizeCtl>0，初始化或扩容中需要使用的容量 * sizeCtl=0，默认值，使用默认容量进行初始化 */ private transient volatile int sizeCtl; /** * 集合size小于64，无论如何，都不会受用红黑树结构 * 转化为红黑树还有一个条件是TREEIFY_THRESHOLD */ static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;/** * 同一个哈希桶内存储的元素个数超过此阀值时，则存储结构由链表转为红黑树 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * 同一个哈希桶内存储的元素个数小于等于此阀值时，从红黑树回退至链表结构，因为元素个数较少时，链表更快 */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
当某个槽内的元素个数增加到超过8个且table的容量大于或等于64时，由链表转为红黑树；当某个槽内的元素个数减少到6个时，由红黑树重新转回
链表。链表转红黑树的过程，就是把给定顺序的元素构成一棵红黑树的过程。需要注意的是，当table的容量小于64时，只会扩容，并不会把链表转为红黑树。
在转化过程中，使用同步块锁synchronized住当前槽的首元素，防止其他进行对当前槽进行增删改操作，转化完成后利用CAS替换原有链表。
因为TreeNode节点也存储了next引用，所以红黑树转链表的操作就变得非常简单，只需从TreeBin的first元素开始遍历所有的节点，并把节点从TreeNode类型转化为Node类型即可，当构造好新的链表之后，会同样利用CAS替换原有红黑树。相对来说，链表转红黑树更为复杂。
ConcurrentHashMap元素插入流程图：
ForwardingNode在table扩容时使用，内部记录了扩容后的table，即nextTable。当table需要进行扩容时，依次遍历当前table中的每一个槽，如果
不为null，则需要把其中所有的元素根据hash值放入扩容后的nextTable中，而原table的槽内会放置一个ForwardingNode节点。正如其名，此节点会
把find()请求转发到扩容后的nextTable上。而执行put()方法的线程如果碰到此节点，也会协助进行迁移。
ReservationNode在ComputeIfAbsent()及其相关方法中作为一个预留节点使用。computeIfAbsent()方法会先判断相应的Key值是否已经存在，如
果不存在，则调用由用户实现的自定义方法来生成Value值，组成KV键值对，随后插入此哈希集合中。在并发场景下，在从得知Key不存在到插入哈希
集合。在并发场景下，在得知Key不存在到插入哈希集合的时间间隔内，为了防止哈希槽被其他线程抢占，当前线程会使用一个ReservationNode节点
放到槽中并加锁，从而保证了线程的安全性。
对于size()，JDK7或者8中的size方法都只能返回一个大概数量，无法做到100%的精确，因为已经统计过的槽在size()返回最终结果前有可能又发生
了变化，从而导致返回大小与实际大小存在些许差异。在多个槽的设计下，如果仅仅是为了统计数量而停下所有的增删操作，又会显得因噎废食。因此，ConcurrentHashMap在涉及元素总数的相关更新和计算时，会最大限度地减少锁的使用，以减少线程间的竞争与互相等待。在这个设计思路下，JDK8的ConcurrentHashMap对元素总数的计算又做了进一步的优化，具体表现在：在put()、remove()和size()方法中，涉及到元素总数的更新和计算，都彻底避免了锁的使用，取而代之的众多的CAS操作。
JDK7的put和remove方法，对于segment内部元素和计数器的更新，全部处于锁的保护下，如Segment.put()方法的第一行：
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
这行代码能保证当前线程取得该Segment上的锁，随后可以大胆地更新元素和内部的计数器。
JDK7的ConcurrentHashMap获取集合大小流程图：
可以看到在JDK7版本中，ConcurrentHashMap在统计元素总数时已经开始避免使用锁了，毕竟加锁操作会极大地影响到其他线程对哈希元素的修改。
当经过了3次计算（2次对比）后，发现每次统计时哈希都有结构性的变化，这是它就会把所有的Segment都加上锁；而当自己统计完成后，才会把锁
释放掉，再允许其他线程修改哈希中的元素。
在JDK8中，对获取集合元素个数又进一步的优化，在put中，对于哈希元素总数的更新，是置于某个槽的锁之外的，主要会用到的属性如下：
/** * 记录了元素总数值，主要用在无竞争状态下，在总数更新后，通过CAS方式直接更新这个值 */ private transient volatile long baseCount; /** * 一个计数器单元，维护了一个value值 */ @sun.misc.Contended static final class CounterCell { volatile long value; CounterCell(long x) { value = x; } /** * Table of counter cells. When non-null, size is a power of 2.
* 在竞争激烈的状态下启用，线程会把总数更新情况存放到该结构内，当竞争进一步加剧时，会通过扩容减少竞争 */ private transient volatile CounterCell[] counterCells;
正是借助baseCount和counterCells两个属性，并配合多次使用CAS方法，JDK8种的ConcurrentHashMap避免了锁的使用。
1）：当并发量较小时，优先使用CAS的方式直接更新baseCount
2）：当更新baseCount冲突，则会认为进入到比较激烈的竞争状态，通过启用counterCells减少竞争，通过CAS的方式把总数更新情况记录在
counterCells对应的位置上。
3）：如果更新counterCells上的某个位置时出现了多次失败，则会通过扩容counterCells的方式减少冲突
4）：当counterCells处在扩容期间时，会尝试更新baseCount值
对于元素总数的统计，逻辑就非常简单了，只需要让baseCount加上各counterCells内的数据，就可以得出哈希内的元素总数，整个过程完全不需要借助锁。
正因为ConcurrentHashMap提供了高效的锁机制实现，在各种多线程应用场景中，推荐使用此集合进行KV键值对的存储与使用。
