java多執行緒環境中應用HashMap，主要有以下幾種選擇：使用線程安全的java.util.Hashtable作為替代使用java.util.Collections.synchronizedMap方法，將現有的HashMap物件包裝為線程安全的。使用java.util.concurrent.ConcurrentHashMap類別作為替代，它具有非常好的效能。
而以上幾種方法在實現的具體細節上，都或多或少地用到了互斥鎖。互斥鎖會造成執行緒阻塞，降低運作效率，並有可能產生死鎖、優先權翻轉等一系列問題。
CAS(Compare And Swap)是一種底層硬體提供的功能，它可以將判斷並更改一個值的操作原子化。
Java中的原子操作
在java.util.concurrent.atomic套件中，Java為我們提供了許多方便的原子類型，它們底層完全基於CAS操作。
例如我們希望實作一個全域公用的計數器，那麼可以：
複製代碼代碼如下:
privateAtomicInteger counter =newAtomicInteger(3);
publicvoidaddCounter() {
for(;;) {
intoldValue = counter.get();
intnewValue = oldValue +1;
if(counter.compareAndSet(oldValue, newValue))
return;
}
}
其中，compareAndSet方法會檢查counter現有的值是否為oldValue，如果是，則將其設為新值newValue，操作成功並傳回true；否則操作失敗並傳回false。
當計算counter新值時，若其他執行緒將counter的值改變，compareAndSwap就會失敗。此時我們只需在外面增加一層循環，不斷嘗試這個過程，那麼最終一定會成功將counter值+1。 （其實AtomicInteger已經為常用的+1/-1操作定義了incrementAndGet與decrementAndGet方法，以後我們只需簡單呼叫它即可）
除了AtomicInteger外，java.util.concurrent.atomic套件還提供了AtomicReference和AtomicReferenceArray類型，它們分別代表原子性的引用和原子性的引用數組（引用的數組）。
無鎖鍊錶的實現
在實作無鎖HashMap之前，讓我們先來看看比較簡單的無鎖鍊錶的實作方法。
以插入操作為例：
首先我們要找出待插入位置前面的節點A和後面的節點B。
然後新建一個節點C，並使其next指標指向節點B。 （見圖1）
最後使節點A的next指標指向節點C。 （見圖2）
但在操作中途，有可能其他執行緒在A與B直接也插入了一些節點（假設為D），如果我們不做任何判斷，可能造成其他執行緒插入節點的遺失。 （見圖3）我們可以利用CAS操作，在為節點A的next指標賦值時，判斷其是否仍指向B，如果節點A的next指標發生了變化則重試整個插入操作。大致程式碼如下：
複製代碼代碼如下:
privatevoidlistInsert(Node head, Node c) {
for(;;) {
Node a = findInsertionPlace(head), b = a.next.get();
c.next.set(b);
if(a.next.compareAndSwap(b,c))
return;
}
}
(Node類別的next欄位為AtomicReference<Node>類型，即指向Node類型的原子性參考)
無鎖鍊錶的查找操作與普通鍊錶沒有差別。而其刪除操作，則需要找到待刪除節點前方的節點A和後方的節點B，利用CAS操作驗證並更新節點A的next指針，使其指向節點B。
無鎖HashMap的困難與突破
HashMap主要有插入、刪除、尋找、ReHash四種基本操作。一個典型的HashMap實現，會用到一個數組，數組的每個元素為一個節點的鍊錶。對於此鍊錶，我們可以利用上文提到的操作方法，執行插入、刪除以及查找操作，但對於ReHash操作則比較困難。
如圖4，在ReHash過程中，一個典型的操作是遍歷舊表中的每個節點，計算其在新表中的位置，然後將其移至新表中。期間我們需要操縱3次指針：
將A的next指標指向D
將B的next指標指向C
將C的next指標指向E
而這三次指針操作必須同時完成，才能確保移動操作的原子性。但我們不難看出，CAS操作每次只能保證一個變數的值被原子性地驗證並更新，無法滿足同時驗證並更新三個指標的需求。
於是我們不妨換一個思路，既然移動節點的操作如此困難，我們可以讓所有節點始終保持有序狀態，從而避免了移動操作。在典型的HashMap實作中，數組的長度始終保持為2i，而從Hash值映射為數組下標的過程，只是簡單地對數組長度執行取模運算（即僅保留Hash二進制的後i位元）。當ReHash時，數組長度加倍變為2i+1，舊數組第j項鍊表中的每個節點，要么移動到新數組中第j項，要么移動到新數組中第j+2i項，而它們的唯一差異在於Hash值第i+1位的不同（第i+1位為0則仍為第j項，否則為第j+2i項）。
如圖5，我們將所有節點依照Hash值的翻轉位元序（如1101->1011）由小到大排列。當數組大小為8時，2、18在一個組內；3、11、27在另一組內。每組的開始，插入一個哨兵節點，以方便後續操作。為了讓哨兵節點正確排在群組的最前方，我們將正常節點Hash的最高位元（翻轉後變為最低位）置為1，而哨兵節點不設定這一位。
當數組擴容至16（見圖6），第二組分裂為一個只含3的組和一個含有11、27的組，但節點之間的相對順序並未改變。這樣在ReHash時，我們就不需要移動節點了。
實作細節
由於擴容時數組的複製會佔用大量的時間，這裡我們採用了將整個數組分塊，懶惰建立的方法。這樣，當存取到某下標時，僅需判斷此下標所在區塊是否已建立完畢（如果沒有則建立）。
另外定義size為目前已使用的下標範圍，其初始值為2，數組擴容時僅需將size加倍即可；定義count代表目前HashMap中包含的總節點個數（不算哨兵節點）。
初始時，數組中除第0項外，所有項都為null。第0項指向一個僅有一個哨兵節點的鍊錶，代表整個鏈的起點。初始時全貌見圖7，其中淺綠色代表目前未使用的下標範圍，虛線箭頭代表邏輯上存在，但實際未建立的區塊。
初始化下標操作
數組中為null的項都認為處於未初始化狀態，初始化某個下標即代表建立其對應的哨兵節點。初始化是遞歸進行的，即若其父下標未初始化，則先初始化其父下標。 （一個下標的父下標是其移除最高二進位位元後得到的下標）大致程式碼如下：
複製代碼代碼如下:
privatevoidinitializeBucket(intbucketIdx) {
intparentIdx = bucketIdx ^ Integer.highestOneBit(bucketIdx);
if(getBucket(parentIdx) ==null)
initializeBucket(parentIdx);
Node dummy =newNode();
dummy.hash = Integer.reverse(bucketIdx);
dummy.next =newAtomicReference<>();
setBucket(bucketIdx, listInsert(getBucket(parentIdx), dummy));
}
其中getBucket即封裝過的取得陣列某下標內容的方法，setBucket同理。 listInsert將從指定位置開始尋找適合插入的位置插入給定的節點，若鍊錶中已存在hash相同的節點則傳回那個已存在的節點；否則傳回新插入的節點。
插入操作
先用HashMap的size對鍵的hashCode取模，得到應插入的陣列下標。
然後判斷該下標處是否為null，如果為null則初始化此下標。
構造一個新的節點，並插入到適當位置，注意節點中的hash值應為原hashCode經過位元翻轉並將最低位置1之後的值。
將節點個數計數器加1，若加1後節點過多，則僅需將size改為size*2，代表對數組擴容（ReHash）。
查找操作
找出待查找節點在數組中的下標。
判斷該下標處是否為null，如果為null則回傳查找失敗。
從對應位置進入鍊錶，順次尋找，直到找出待查找節點或超出本組節點範圍。
刪除操作
找出應刪除節點在數組中的下標。
判斷該下標處是否為null，如果為null則初始化此下標。
找到待刪除節點，並從鍊錶中刪除。 （注意由於哨兵節點的存在，任何正常元素只被其唯一的前驅節點所引用，不存在被前驅節點與數組中指針同時引用的情況，從而不會出現需要同時修改多個指針的情況）
將節點個數計數器減1。