引言
HashMap 在我们日常的开发中使用频率最高的一个工具类之一，然而使用 HashMap 最大的问题之一就是它是线程不安全的，如果我们想要线程安全, 这时候就可以选择使用 ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap 和 HashMap 的功能是基本一样的，ConcurrentHashMap 是 HashMap 的线程安全版本。
因 ConcurrentHashMap 和 HashMap 在 jdk1.8 版本中排除线程的安全性方面，其他的设计都很类似。
ConcurrentHashMap 原理
ConcurrentHashMap 是 HashMap 的线程安全版本，其内部和 HashMap 一样，都是采用了数组 + 链表 + 红黑树的方式来实现。
如何实现线程的安全性？加锁。但是这个锁应该怎么加呢？在 HashTable 中，是直接在 put 和 get 方法上加上了 synchronized，理论上来说 ConcurrentHashMap 也可以这么做，但是这么做锁的粒度太大，会非常影响并发性能，所以在 ConcurrentHashMap 中并没有采用这么直接简单粗暴的方法，其内部采用了非常精妙的设计，大大减少了锁的竞争，提升了并发性能。(CAS + synchronized )
ConcurrentHashMap 中的初始化和 HashMap 中一样，而且容量也会调整为 2 的 N 次幂，在这里不做重复介绍这么做的原因。
JDK1.8 版本 ConcurrentHashMap 做的改进
在 JDK1.7 版本中，ConcurrentHashMap 由数组 + Segment + 分段锁实现，其内部分为一个个段（Segment）数组，Segment 通过继承 ReentrantLock 来进行加锁，通过每次锁住一个 segment 来降低锁的粒度而且保证了每个 segment 内的操作的线程安全性，从而实现全局线程安全。下图就是 JDK1.7 版本中 ConcurrentHashMap 的结构示意图
但是这么做的缺陷就是每次通过 hash 确认位置时需要 2 次才能定位到当前 key 应该落在哪个槽：
- 通过 hash 值和 段数组长度-1 进行位运算确认当前 key 属于哪个段，即确认其在 segments 数组的位置。
- 再次通过 hash 值和 table 数组（即 ConcurrentHashMap 底层存储数据的数组）长度 - 1进行位运算确认其所在。
为了进一步优化性能，在 jdk1.8 版本中，对 ConcurrentHashMap 做了优化，取消了分段锁的设计，取而代之的是通过 cas 操作和 synchronized 关键字来实现优化，而扩容的时候也利用了一种分而治之的思想来提升扩容效率，在 JDK1.8 中 ConcurrentHashMap 的存储结构和 HashMap 基本一致，如下图所示：
为什么 key 和 value 不允许为 null
在 HashMap 中，key 和 value 都是可以为 null 的，但是在 ConcurrentHashMap 中却不允许，这是为什么呢？
作者 Doug Lea 本身对这个问题有过回答，在并发编程中，null 值容易引来歧义， 假如先调用 get(key) 返回的结果是 null，那么我们无法确认是因为当时这个 key 对应的 value 本身放的就是 null，还是说这个 key 值根本不存在，这会引起歧义，如果在非并发编程中，可以进一步通过调用 containsKey 方法来进行判断，但是并发编程中无法保证两个方法之间没有其他线程来修改 key 值，所以就直接禁止了 null 值的存在。
而且作者 Doug Lea 本身也认为，假如允许在集合，如 map 和 set 等存在 null 值的话，即使在非并发集合中也有一种公开允许程序中存在错误的意思，这也是 Doug Lea 和 Josh Bloch（HashMap作者之一） 在设计问题上少数不同意见之一，而 ConcurrentHashMap 是 Doug Lea 一个人开发的，所以就直接禁止了 null 值的存在。
ConcurrentHashMap 如何保证线程的安全性
在 ConcurrentHashMap 中，采用了大量的分而治之的思想来降低锁的粒度，提升并发性能。其源码中大量使用了 cas 操作来保证安全性，而不是和 HashTable 一样，不论什么方法，直接简单粗暴的使用 synchronized关键字来实现。
这里面有一个非常重要的变量 sizeCtl，这个变量对理解整个 ConcurrentHashMap 的原理非常重要。
sizeCtl 有四个含义：
- sizeCtl<-1 表示有 N-1 个线程正在执行扩容操作，如 -2 就表示有 2-1 个线程正在扩容。
- sizeCtl=-1 占位符，表示当前正在初始化数组。
- sizeCtl=0 默认状态，表示数组还没有被初始化。
- sizeCtl>0 记录下一次需要扩容的大小。
知道了这个变量的含义，上面的方法就好理解了，第二个分支采用了 CAS 操作，因为 sizeCtl 默认为 0，所以这里如果可以替换成功，则当前线程可以执行初始化操作，CAS 失败，说明其他线程抢先一步把 sizeCtl 改为了 -1。扩容成功之后会把下一次扩容的阈值赋值给 sc，即 sizeClt。
put 操作如何保证数组元素的可见性
ConcurrentHashMap 中存储数据采用的 Node 数组是采用了 volatile 来修饰的，但是这只能保证数组的引用在不同线程之间是可用的，并不能保证数组内部的元素在各个线程之间也是可见的，所以这里我们判定某一个下标是否有元素，并不能直接通过下标来访问，那么应该如何访问呢？源码给你答案：
可以看到，这里是通过 tabAt 方法来获取元素，而 tableAt 方法实际上就是一个 CAS 操作：
如果发现当前节点元素为空，也是通过 CAS 操作（casTabAt）来存储当前元素。
如果当前节点元素不为空，则会使用 synchronized 关键字锁住当前节点，并进行对应的设值操作：
精妙的计数方式
在 HashMap 中，调用 put 方法之后会通过 ++size 的方式来存储当前集合中元素的个数，但是在并发模式下，这种操作是不安全的，所以不能通过这种方式，那么是否可以通过 CAS 操作来修改 size 呢？
直接通过 CAS 操作来修改 size 是可行的，但是假如同时有非常多的线程要修改 size 操作，那么只会有一个线程能够替换成功，其他线程只能不断的尝试 CAS，这会影响到 ConcurrentHashMap 集合的性能，所以作者就想到了一个分而治之的思想来完成计数。
作者定义了一个数组来计数，而且这个用来计数的数组也能扩容，每次线程需要计数的时候，都通过随机的方式获取一个数组下标的位置进行操作，这样就可以尽可能的降低了锁的粒度，最后获取 size 时，则通过遍历数组来实现计数：
addCount 计数方法
接下来我们看看 addCount 方法：