结构

与 HashMap 类似，使用数组 + 链表 + 红黑树存储键值对

属性字段

transient volatile Node<K,V>[] table; // 存放 bin，第一次插入数据时候进行初始化，长度为 2 的倍数

private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16 // 扩容线程每次最少要迁移16 个 hash 桶，在扩容中，参与的单个线程允许处理的最少 table 桶首节点个数，虽然适当添加线程，会使得整个扩容过程变快，但需要考虑多线程内存同时分配的问题

private transient volatile int sizeCtl;

• 默认为 0
• -1 表示正在初始化
• -(1+number) 表示有 number 个线程同时在扩容，必须竞争到这个共享变量，才能进行初始化或者扩容。
• 正数， table 中元素数量阈值，超过这个阈值就会扩容
  

static final int MOVED = -1; // hash for forwarding nodes

• ForwardingNode，在扩容时使用，如果 index 处 hash 值为 -1，表示正在扩容。

static final int TREEBIN = -2; // hash for roots of trees

static final int RESERVED = -3; // hash for transient reservations

static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal

哈希桶 Table 初始化

• 根据共享变量 sizeCtl 的值来决定是否由当前线程执行初始化操作（单线程进行初始化）

• sizeCtl 为正数时，表示 table 的阈值（= 0.75*n），元素个数超过这个值将会扩容。

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
    	// 如果共享变量 sizeCtl < 0，说明有其它线程正在初始化或者扩容，让出 CPU，让其它线程先执行完
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        // 
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
   				// 再判断 table 是否为空
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                	// sc = sizeCtl > 0 表示已经初始化，否则使用默认容量 16。
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    // sc = 0.75*n，sc 表示阈值
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

key 对应到哈希桶的过程

static final int spread(int h) {
	return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}

index = spread(key) & (length - 1)

• hash 过程与 HashMap 类似，只是多了与 HASH_BITS 进行位运算

• HASH_BITS 除了首位是 0，剩下的都是 1，按位与，得正数(首位为0)。就是为了让上面的 hash 值为正数

get 方法

1. key，value 都不能为 null，key 为 null 时抛出 NullPointerException

2. 将 key 进行 hash 然后找到数组位置处的索引 index

3. 若 index == key，直接返回 index 处元素

4. 若 index 处的 hash 值小于 0，进一步调用 Node 子类的 find 方法

5. index 处的 hash 值不小于 0，遍历查找

static final int TREEBIN   = -2; // hash for roots of trees

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode());
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
    	// 如果找到这个节点，直接返回
        if ((eh = e.hash) == h) {
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        // 如果 hash 值小于 0，调用 Node 的查找方法，Node 可以为链表或树
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

put 方法

1. table 为 null 或者 tab.size = 0，进行 resize。

2. key 进行 hash 之后取模得到的索引位置，若在桶的位置元素为 null，那么直接插入元素。

3. 桶位置元素不为 null，那么进行比较

4. 判断 key 是否相同：

   • 如果 key 相同，e 保存该节点
   • 如果 key 不同，如果该是红黑树节点，那么执行红黑树的 put 方法；如果是链表节点，执行链表遍历操作，找到对应的节点并用 e 保存，如果链表长度大于 >=7，就将链表转为红黑树

5. Node e 保存找到的节点，如果没有找到返回 null

6. 如果 size 超过阈值，进行扩容

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
	// key value 均不能为 null
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    // 获取当前 table，进入死循环，直至插入成功
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 为空需要进行初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // 索引所在位置没有元素，通过 casTabAt 方法插入元素并跳出循环
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))){
                break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
        }
        // 索引位置处 hash = -1，表示其它线程正在扩容，helpTransfer 将帮助扩容，且元素赋值到扩容后的位置
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        // 该位置处节点为普通节点，锁住该链表头结点并在尾部添加节点
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
            	// 加锁之后再判断索引位置处 key 是否相同
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                	// hash >= 0，通过链表遍历方式找到并替换节点
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                	// 进行替换
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                            	// 链表尾部插入节点
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // index 处索引小于 0 （hash = -2 TREEBIN），并且是树节点，执行树的插入方法
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            // binCount != 0 说明向链表或者红黑树中添加或修改一个节点成功
            // binCount  == 0 说明 put 操作将一个新节点添加成为某个桶的首节点
            if (binCount != 0) {
            	// >= 8 就转为红黑树
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                // oldVal != null 说明此次操作是修改操作，直接返回旧值，无需下面扩容检查
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 判断是否需要扩容
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

size()

• baseCount 记录元素个数，通过 addCount 更新 baseCount，当更新失败时，addCount 中的 fullCount 会更新 counterCells

• 元素个数 = baseCount + counterCells.length

public int size() {
    long n = sumCount();
    return ((n < 0L) ? 0 :
            (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
            (int)n);
}

final long sumCount() {
    CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
    long sum = baseCount;
    if (as != null) {
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
        }
    }
    return sum;
}

扩容方法

// 返回表长度 n 的标志位
static final int resizeStamp(int n) {
	return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));
}

// 帮助扩容
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
    Node<K,V>[] nextTab; int sc;
    // tab 不为 null，传进来的节点是 ForwardingNode，并且 ForwardingNode 下一个 tab 不为 null
    if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
        (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
        // 生成标志位 rs
        int rs = resizeStamp(tab.length);
        while (nextTab == nextTable && table == tab &&
               (sc = sizeCtl) < 0) {
            // 如果 sizeCtl 无符号右移 16 位与上面标志位不同
            // 或者 sizeCtl == rs + 1  （扩容结束了，不再有线程进行扩容）
            // 或者 sizeCtl == rs + 65535  （如果达到最大帮助线程的数量，即 65535）
            // 或者转移下标正在调整 （扩容结束）
            // 结束循环
            if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                break;
            // 以上情况不满足， sizeCtl++ ，增加一个线程进行扩容
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                // 复制或者移动 bins 里面的 Node 到新的 table
                transfer(tab, nextTab);
                break;
            }
        }
        return nextTab;
    }
    return table;
}


// 移动或者复制 Node 到新的 table
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
    int n = tab.length, stride;
    // 计算单个线程允许处理的最少 table 桶首节点个数，不能小于 16
    if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
        stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
    // 如果刚开始扩容，就初始化 nextTab
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        // transferIndex 指向最后一个桶，方便从后向前遍历
        transferIndex = n;
    }
    int nextn = nextTab.length;
    // fwd 作为标记，标记那些已经完成迁移的桶
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    boolean advance = true;
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    // i 指向当前桶，bound 指向当前线程需要处理的桶结点的区间下限
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            // transferIndex 本来指向最后一个桶，小于等于 0 说明处理完成    
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            // 更新 transferIndex，处理的桶区间为 (nextBound,nextIndex)
            else if (U.compareAndSwapInt
                     (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                      nextBound = (nextIndex > stride ?
                                   nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;
                i = nextIndex - 1;
                advance = false;
            }
        }
        // 当前线程任务处理完成
        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
            int sc;
            if (finishing) {
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        // 待迁移的桶为 null，在此位置添加 ForwardingNode 标记该桶已经处理过
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        // 该桶已经处理过
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            advance = true; // already processed
        else {
        	// 锁住该桶
            synchronized (f) {
            	// 再判断下桶有没有发生变化
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;
                    if (fh >= 0) {
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        // 整个 for 循环为了找到整个桶中最后连续的 fh & n 不变的结点
                        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;
                        }
                        // 如果 fh&n 不变的链表的 runbit 都是 0，则 nextTab[i] 内元素 ln 前逆序，ln 及其之后顺序
                        // 否则，nextTab[i+n]内元素全部相对原table逆序
                        // 这是通过一个节点一个节点的往 nextTab 添加
                        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);
                        }
                        // 把两条链表整体迁移到 nextTab 中
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        // 将原桶标识位已经处理
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                    // 红黑树的复制算法
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        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;
                            }
                        }
                        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;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

• sizeCtl == rs + 1 扩容结束了，不再有线程进行扩容，这个判断可以在 addCount 方法中找到答案：默认第一个线程设置 sc == rs 左移 16 位 + 2，当第一个线程结束扩容了，就会将 sc 减一。这个时候，sc 就等于 rs + 1。
  如果 sizeCtl == 标识符 + 1 ，说明库容结束了，没有必要再扩容了。

博客参考

并发编程——ConcurrentHashMap#helpTransfer() 分析

为并发而生的 ConcurrentHashMap（Java 8）

https://www.iteye.com/blog/wujiu-2378812