Java 7 版本的 ConcurrentHashMap

結構示意圖：

從圖中我們可以看出，在 ConcurrentHashMap 內部進行了 Segment 分段，Segment 繼承了 ReentrantLock，可以理解為一把鎖，各個 Segment 之間都是相互獨立上鎖的，互不影響。相比於之前的 Hashtable 每次操作都需要把整個物件鎖住而言，大大提高了併發效率。因為它的鎖與鎖之間是獨立的，而不是整個物件只有一把鎖。

每個 Segment 的底層資料結構與 HashMap 類似，仍然是陣列和連結串列組成的拉鍊法結構。預設有 0~15 共 16 個 Segment，所以最多可以同時支援 16 個執行緒併發操作（操作分別分佈在不同的 Segment 上）。16 這個預設值可以在初始化的時候設定為其他值，但是一旦確認初始化以後，是不可以擴容的。

Java 8 版本的 ConcurrentHashMap

在 Java 8 中，幾乎完全重寫了 ConcurrentHashMap，程式碼量從原來 Java 7 中的 1000 多行，變成了現在的 6000 多行，所以也大大提高了原始碼的閱讀難度。

結構示意圖：

圖中的節點有三種類型。

第一種是最簡單的，空著的位置代表當前還沒有元素來填充。

第二種就是和 HashMap 非常類似的拉鍊法結構，在每一個槽中會首先填入第一個節點，但是後續如果計算出相同的 Hash 值，就用連結串列的形式往後進行延伸。

第三種結構就是紅黑樹結構，這是 Java 7 的 ConcurrentHashMap 中所沒有的結構，在此之前我們可能也很少接觸這樣的資料結構。

當第二種情況的連結串列長度大於某一個閾值（預設為 8），且同時滿足一定的容量要求的時候，ConcurrentHashMap 便會把這個連結串列從連結串列的形式轉化為紅黑樹的形式，目的是進一步提高它的查詢效能。所以，Java 8 的一個重要變化就是引入了紅黑樹的設計。

紅黑樹介紹

紅黑樹是每個節點都帶有顏色屬性的二叉查詢樹，顏色為紅色或黑色，紅黑樹的本質是對二叉查詢樹 BST 的一種平衡策略，我們可以理解為是一種平衡二叉查詢樹，查詢效率高，會自動平衡，防止極端不平衡從而影響查詢效率的情況發生。

由於自平衡的特點，即左右子樹高度幾乎一致，所以其查詢效能近似於二分查詢，時間複雜度是 O(log(n))

紅黑樹的一些其他特點：

每個節點要麼是紅色，要麼是黑色，但根節點永遠是黑色的。

紅色節點不能連續，也就是說，紅色節點的子和父都不能是紅色的。

從任一節點到其每個葉子節點的路徑都包含相同數量的黑色節點。

正是由於這些規則和要求的限制，紅黑樹保證了較高的查詢效率，所以現在就可以理解為什麼 Java 8 的 ConcurrentHashMap 要引入紅黑樹了。好處就是避免在極端的情況下衝突連結串列變得很長，在查詢的時候，效率會非常慢。而紅黑樹具有自平衡的特點，所以，即便是極端情況下，也可以保證查詢效率在 O(log(n))。

對比Java7 和Java8 的異同和優缺點

（1）資料結構

Java 7 採用 Segment 分段鎖來實現，而 Java 8 中的 ConcurrentHashMap 使用陣列 + 連結串列 + 紅黑樹，在這一點上它們的差別非常大。

（2）併發度

Java 7 中，每個 Segment 獨立加鎖，最大併發個數就是 Segment 的個數，預設是 16。

但是到了 Java 8 中，鎖粒度更細，理想情況下 table 陣列元素的個數（也就是陣列長度）就是其支援併發的最大個數，併發度比之前有提高。

（3）保證併發安全的原理

Java 7 採用 Segment 分段鎖來保證安全，而 Segment 是繼承自 ReentrantLock。

Java8 中放棄了 Segment 的設計，採用 Node + CAS + synchronized 保證執行緒安全。

（4）查詢時間複雜度

Java 7 遍歷連結串列的時間複雜度是 O(n)，n 為連結串列長度。

Java8 如果變成遍歷紅黑樹，那麼時間複雜度降低為 O(log(n))，n 為樹的節點個數。

（5）遇到 Hash 碰撞

Java 7 在 Hash 衝突時，會使用拉鍊法，也就是連結串列的形式。

Java8 先使用拉鍊法，在連結串列長度超過一定閾值時，將連結串列轉換為紅黑樹，來提高查詢效率。