ConcurrentHashMap 是 Java 中用于高并发环境下线程安全的哈希表，它的底层实现经历了几个阶段的演进，尤其从 JDK 1.7 到 JDK 1.8，有了较大的结构性变化。

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一、核心结论先行

特性	Java 7 实现	Java 8 实现
数据结构	分段锁（Segment + HashEntry）	数组 + 链表 + 红黑树（Node[] + TreeNode）
并发控制	Segment 级别的锁	CAS + synchronized + 自旋
锁粒度	默认 16 个 Segment，锁粒度较粗	节点级锁，粒度更细
性能	中等（锁冲突较多）	更高（极低冲突场景几乎无锁）
是否支持 null key/value	❌ 不支持	❌ 不支持

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二、JDK 1.8 中的底层结构（重点）

主结构：Node<K,V>[] table

transient volatile Node<K,V>[] table;

• 整体类似于 HashMap，但数组元素是 Node 对象（非 Entry）
• 每个桶（bucket）可能是：
• 空
• 链表（Node -> Node -> …）
• 红黑树（TreeNode）

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Node 结构

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
}

注意：val 和 next 是 volatile 的，确保可见性；但结构更新使用的是 CAS（compareAndSwap）

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三、并发控制机制详解（JDK 1.8）

1、读操作（get）

• 采用无锁操作（只读 volatile 字段）
• 遍历链表或红黑树查找值，完全不加锁 → 高性能

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e; int n; K k;
    // ... 计算 hash、定位桶位 ...
    // 遍历链表 / 红黑树获取 key 对应的值
}

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2、写操作（put）

• 先通过 CAS（compare-and-swap）尝试插入空桶 → 无需加锁
• 如果 CAS 失败（冲突），则进入 synchronized 块锁住该桶头节点
• 插入时：
• 桶中是链表：插入尾部，如果链表过长 → 转为红黑树
• 桶中是红黑树：执行红黑树插入算法（如平衡、旋转）

synchronized (f) {
    // 桶头 f 非 null，进行链表/树更新
}

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3、扩容操作（resize）

• 与 HashMap 类似，但使用多线程协作扩容
• 利用**ForwardingNode 占位符**标记旧桶已转移
• 使用一个 transferIndex 表示下一个迁移的桶段位置，每个线程搬迁一部分桶位

// 多线程扩容时，每个线程处理一部分桶
if ((f instanceof ForwardingNode)) {
    // 帮助扩容
}

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4、TreeNode 结构（红黑树）

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;
    TreeNode<K,V> left, right;
    boolean red;
    // 红黑树插入、查找、旋转...
}

• 如果某桶链表长度 > 8 且桶数组容量 >= 64，就转换成红黑树
• 否则仍用链表（节省空间）

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四、写时的并发安全如何实现？

操作	实现方式
put()	先尝试 CAS，失败后锁住桶头（synchronized）
remove()	类似 put，先定位，再加锁删除
resize()	多线程并发迁移，使用 ForwardingNode 协作

• 它并不使用全表锁，也不使用传统锁表段（Segment），锁粒度非常小
• 借助 volatile 保证内存可见性，CAS 保证原子性

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五、对比：HashMap vs ConcurrentHashMap

特性	HashMap	ConcurrentHashMap
线程安全性	❌ 非线程安全	✅ 线程安全
并发读写	❌ 可能抛异常	✅ 安全
null 键/值支持	✅ 支持	❌ 都不支持
用于并发场景	❌ 不建议	✅ 推荐

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六、源码入口 & 官方文档

• 🔗 JDK 8 源码：ConcurrentHashMap
• 🔗 Java 官方文档：ConcurrentHashMap
• 🔗 Doug Lea 原始设计文档

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七、面试必会重点总结

问题	回答概要
是否支持并发读写？	✅ 是，并发读无锁，写锁粒度小
是否支持 null？	❌ 不支持 key 或 value 为 null
为什么写操作加锁？	保证并发安全，避免链表/树结构竞争
扩容是否会阻塞？	❌ 不会，采用多线程协作迁移
底层结构是什么？	Node 数组 + 链表 + 红黑树
如何保证线程安全？	CAS + volatile + synchronized

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