Java基础——HashMap

1、HashMap底层的实现

JDK 1.7 中 HashMap 是以数组+链表的形式组成的

JDK 1.8 之后数组+链表/红黑树的组成的，当链表大于 8 并且容量大于 64 时，链表结构会转换成红黑树结构，链表长度过长，影响性能，红黑树具有快速增删改查的功能

JDK1.中HashMap的几个重要属性：

// HashMap 初始化长度
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

// HashMap 最大长度
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 1073741824

// 默认的加载因子 (扩容因子)
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 当链表长度大于此值且容量大于64时
//由于TreeNode的大小约为常规节点的两倍，因此我们仅在垃圾箱包含足以保证使用的节点时才使用它们（TREEIFY_THRESHOLD）。当它们变得太小时（由于删除或调整大小），它们会转换回普通纸箱。
//在与分布良好的用户hashCodes一起使用时，树箱为很少使用。理想情况下，在随机hashCodes下，箱中的节点遵循泊松分布
//泊松分布，是一种统计与概率学里常见到的离散概率分布，适合于描述单位时间内随机事件发生的次数
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 转换链表的临界值，当元素小于此值时，会将红黑树结构转换成链表结构
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

// 最小树容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64；

数组中的元素被称为哈希桶，共包含四个元素：hash（哈希值）、key（键）、next（指向下一个节点的指针）、value（值）

//Hash底层结构源码
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//通过hashcode计算出hash值
        final K key;//要存储的键
        V value;//要存储的值
        Node<K,V> next;//指向下一个节点的指针

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
        //获取key值
        public final K getKey() {
           return key;
        }
        //获取value值
        public final V getValue() {
            return value;
        }
        //转化为字符串
        public final String toString() {
            return key + "=" + value;
       }
       //hashcode方法
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }
       //设置value
        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
       //重写equal方法
        public final boolean equals(Object o) {
            //判断是否是一个对象，否，false
            if (o == this)
                return true;
            //判断是否是map类型，否，false
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                //判断key值和value是否相等，否，false
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }

2、HashMap的加载因子为什么是0.75？

加载因子也叫扩容因子或负载因子，用来判断什么时候进行扩容的，假如加载因子是 0.5，HashMap 的初始化容量是 16，那么当 HashMap 中有 16*0.5=8 个元素时，HashMap 就会进行扩容

HashMap是一个插入慢、查询快的数据结构，它的加载因子是0.75是因为：

当加载因子设置比较大的时候，扩容的门槛就被提高了，扩容发生的频率比较低，占用的空间会比较小，但此时发生 Hash 冲突的几率就会提升，因此需要更复杂的数据结构来存储元素，这样对元素的操作时间就会增加，运行效率也会因此降低

而当加载因子值比较小的时候，扩容的门槛会比较低，因此会占用更多的空间，此时元素的存储就比较稀疏，发生哈希冲突的可能性就比较小，因此操作性能会比较高

3、HashMap中的重要方法

get()方法

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        //判断是否为空
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
          // 判断第一个元素是否是要查询的元素
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            // 判断下一个元素是否是要查询的元素
            if ((e = first.next) != null) {
               // 如果第一节点是树结构，则使用 getTreeNode 直接获取相应的数据
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);、
                    // 如果不是树结构，则循环获取相应的数据
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

put()方法

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

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
       // 哈希表为空则创建表
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;

       // 根据 key 的哈希值计算出要插入的数组索引 i
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 如果 table[i] 等于 null，则直接插入
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

        else {
            Node<K,V> e; K k;
           // 如果 key 已经存在了，直接覆盖 value
            if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;

            // 如果 key 不存在，判断是否为红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 红黑树直接插入键值对
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                 // 为链表结构，循环准备插入
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                   //key存在直接覆盖
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
         // 超过最大容量，扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

扩容方法

JDK 1.8 在扩容时并没有像 JDK 1.7 那样，重新计算每个元素的哈希值，而是通过高位运算（e.hash & oldCap）来确定元素是否需要移动

当结果为 0 时表示元素在扩容时位置不会发生任何变化，当结果为 1 时，表示元素在扩容时位置发生了变化，新的下标位置等于原下标位置 + 原数组长度

final Node<K,V>[] resize() {
    // 扩容前的数组
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 扩容前的数组的大小和阈值
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    // 预定义新数组的大小和阈值
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        // 超过最大值就不再扩容了
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 扩大容量为当前容量的两倍，但不能超过 MAXIMUM_CAPACITY
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    // 当前数组没有数据，使用初始化的值
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        // 如果初始化的值为 0，则使用默认的初始化容量
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 如果新的容量等于 0
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr; 
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    // 开始扩容，将新的容量赋值给 table
    table = newTab;
    // 原数据不为空，将原数据复制到新 table 中
    if (oldTab != null) {
        // 根据容量循环数组，复制非空元素到新 table
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                // 如果链表只有一个，则进行直接赋值
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    // 红黑树相关的操作
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    // 链表复制，JDK 1.8 扩容优化部分
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // 原索引，通过高位运算计算出原有元素在新数组的位置
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        // 原索引 + oldCap
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 将原索引放到哈希桶中
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 将原索引 + oldCap 放到哈希桶中
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

位运算：

位与&	两位数同时为“1”，结果才为“1”，否则为0	0&0=0; 0&1=0; 1&1=1;
位或|	两位数只要有一个为1，其值为1	0|0=0； 0|1=1； 1|1=1；
异或^	两位数只能有一个1则为1，否则为0	0^0=0； 0^1=1； 1^0=1； 1^1=0
左移<<	二进制位全部左移若干位（左边的二进制位丢弃，右边补0）	1<<1=2; 1<<2=4; 1<<3=8
右移>>	二进制位全部右移若干位，正数左补0，负数左补1，右边丢弃	32>>1=16; 32>>2=8; 32>>3=4;

4、HashMap 死循环分析

假设 HashMap 默认大小为 2，原本 HashMap 中有一个元素 key(5)，我们再使用两个线程：t1 添加元素 key(3)，t2 添加元素 key(7)，当元素 key(3) 和 key(7) 都添加到 HashMap 中之后，线程 t1 在执行到 Entry<K,V> next = e.next; 时，交出了 CPU 的使用权，线程 t1 中的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7) ；之后线程 t2 重新 rehash 之后链表的顺序被反转，链表的位置变成了 key(5) → key(7) → key(3)，当 t1 重新获得执行权之后，先执行 newTalbe[i] = e 把 key(3) 的 next 设置为 key(7)，而下次循环时查询到 key(7) 的 next 元素为 key(3)，于是就形成了 key(3) 和 key(7) 的循环引用，因此就导致了死循环的发生。

HashMap不支持多线程使用，要并发就用ConcurrentHashMap

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

5、JDK1.7和1.8版本，HashMap的改动

JDK1.7的时候使用的是数组+ 单链表的数据结构。但是在JDK1.8及之后时，使用的是数组+链表+红黑树的数据结构（当链表的深度达到8的时候，也就是默认阈值，就会自动扩容把链表转成红黑树的数据结构来把时间复杂度从O（n）变成O（logN）提高了效率）

DK1.7用的是头插法，而JDK1.8及之后使用的都是尾插法，那么他们为什么要这样做呢？因为JDK1.7是用单链表进行的纵向延伸，当采用头插法时会容易出现逆序且环形链表死循环问题。但是在JDK1.8之后是因为加入了红黑树使用尾插法，能够避免出现逆序且链表死循环的问题

在JDK1.7的时候是直接用hash值和需要扩容的二进制数进行&（这里就是为什么扩容的时候为啥一定必须是2的多少次幂的原因所在，因为如果只有2的n次幂的情况时最后一位二进制数才一定是1，这样能最大程度减少hash碰撞）（hash值 & length-1），JDK1.8的时候直接用了JDK1.7的时候计算的规律，也就是扩容前的原始位置+扩容的大小值=JDK1.8的计算方式，而不再是JDK1.7的那种异或的方法。但是这种方式就相当于只需要判断Hash值的新增参与运算的位是0还是1就直接迅速计算出了扩容后的储存方式

6、HashMap如何解决哈希冲突

HashMap存入新的键值对时，先计算出哈希值，判断当前确定的索引位置是否存在相同hashcode和相同key的元素，如果存在相同的hashcode和相同的key的元素，那么新值覆盖原来的旧值，并返回旧值。   如果存在相同的hashcode，那么他们确定的索引位置就相同，这时判断他们的key是否相同，如果不相同，这时就是产生了hash冲突。  Hash冲突后，那么HashMap的单个bucket里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链。  系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），  那系统必须循环到最后才能找到该元素

分离链表法：若hash值和key都相同，则替换value，若hash值相同，key不相同，则形成一个单链表，将hash值相同，key不同的元素以Entry<V,V>的方式存放在链表中

开放地址法：用线性探测，从相同hash值开始，继续寻找下一个可用的槽位