HashMap的原理与实现
版本之更迭：
–》JDK 1.7 ： Table数组+ Entry链表；
–》JDK1.8 : Table数组+ Entry链表/红黑树；(为什么要使用红黑树？)
一问HashMap的实现原理
- 你看过HashMap源码吗，知道底层的原理吗
- 为什么使用数组+链表
- 用LinkedList代替数组可以吗
- 既然是可以的，为什么不用反而用数组。
重要变量介绍：
ps：都是重要的变量记忆理解一下最好。
-
DEFAULT_INITIAL_CAPACITYTable数组的初始化长度：1 << 42^4=16（为什么要是 2的n次方？） -
MAXIMUM_CAPACITYTable数组的最大长度：1<<302^30=1073741824 -
DEFAULT_LOAD_FACTOR负载因子：默认值为0.75。 当元素的总个数>当前数组的长度 * 负载因子。数组会进行扩容，扩容为原来的两倍（todo：为什么是两倍？） -
TREEIFY_THRESHOLD链表树化阙值： 默认值为8。表示在一个node（Table）节点下的值的个数大于8时候，会将链表转换成为红黑树。 -
UNTREEIFY_THRESHOLD红黑树链化阙值： 默认值为6。 表示在进行扩容期间，单个Node节点下的红黑树节点的个数小于6时候，会将红黑树转化成为链表。 -
MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64最小树化阈值，当Table所有元素超过改值，才会进行树化（为了防止前期阶段频繁扩容和树化过程冲突）。
实现原理：
实现原理图 我们都知道，在HashMap中，采用数组+链表的方式来实现对数据的储存。
HashMap采⽤Entry数组来存储key-value对，每⼀个键值对组成了⼀个Entry实体，Entry类实际上是⼀个单向的链表结 构，它具有Next指针，可以连接下⼀个Entry实体。 只是在JDK1.8中，链表⻓度⼤于8的时候，链表会转成红⿊树！
第一问： 为什么使用链表+数组：要知道为什么使用链表首先需要知道Hash冲突是如何来的：
答： 由于我们的数组的值是限制死的，我们在对key值进行散列取到下标以后，放入到数组中时，难免出现两个key值不同，但是却放入到下标相同的格子中，此时我们就可以使用链表来对其进行链式的存放。
第二问 我⽤LinkedList代替数组结构可以吗？
对于题目的意思是说，在源码中我们是这样的
Entry[] table=new Entry[capacity];
// entry就是一个链表的节点
现在进行替换，进行如下的实现
List<Entry> table=new LinkedList<Entry>();
是否可以行得通？ 答案当然是肯定的。
第三问 那既然可以使用进行替换处理，为什么有偏偏使用到数组呢？
因为⽤数组效率最⾼！ 在HashMap中，定位节点的位置是利⽤元素的key的哈希值对数组⻓度取模得到。此时，我们已得到节点的位置。显然数组的查 找效率⽐LinkedList⼤（底层是链表结构）。
那ArrayList，底层也是数组，查找也快啊，为啥不⽤ArrayList? 因为采⽤基本数组结构，扩容机制可以⾃⼰定义，HashMap中数组扩容刚好是2的次幂，在做取模运算的效率⾼。 ⽽ArrayList的扩容机制是1.5倍扩容（这一点我相信学习过的都应该清楚），那ArrayList为什么是1.5倍扩容这就不在本⽂说明了。
Hash冲突：得到下标值：
我们都知道在HashMap中 使用数组加链表，这样问题就来了，数组使用起来是有下标的，但是我们平时使用HashMap都是这样使用的：
HashMap<Integer,String> hashMap=new HashMap<>();
hashMap.put(2,"dd");
可以看到的是并没有特地为我们存放进来的值指定下标，那是因为我们的hashMap对存放进来的key值进行了hashcode()，生成了一个值，但是这个值很大，我们不可以直接作为下标，此时我们想到了可以使用取余的方法，例如这样：
key.hashcode()%Table.length；
即可以得到对于任意的一个key值，进行这样的操作以后，其值都落在0-Table.length-1 中，但是 HashMap的源码却不是这样做？
它对其进行了与操作，对Table的表长度减一再与生产的hash值进行相与：
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
我们来画张图进行进一步的了解；
这里我们也就得知为什么Table数组的长度要一直都为2的n次方，只有这样，减一进行相与时候，才能够达到最大的n-1值。
举个栗子来反证一下：
我们现在 数组的长度为 15 减一为 14 ，二进制表示 0000 1110 进行相与时候，最后一位永远是0，这样就可能导致，不能够完完全全的进行Table数组的使用。违背了我们最开始的想要对Table数组进行最大限度的无序使用的原则，因为HashMap为了能够存取高效，，要尽量较少碰撞，就是要尽量把数据分配均匀，每个链表⻓度⼤致相同。
此时还有一点需要注意的是： 我们对key值进行hashcode以后，进行相与时候都是只用到了后四位，前面的很多位都没有能够得到使用,这样也可能会导致我们所生成的下标值不能够完全散列。
解决方案：将生成的hashcode值的高16位于低16位进行异或运算，这样得到的值再进行相与，一得到最散列的下标值。
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
二问讲一讲HashMap的get/put过程
- 知道HashMap的put元素的过程是什么样吗？
- 知道get过程是是什么样吗？
- 你还知道哪些的hash算法？
- 说一说String的hashcode的实现
Put方法
1.对key的hashCode()做hash运算，计算index;
2.如果没碰撞直接放到bucket⾥；
3.如果碰撞了，以链表的形式存在buckets后；
4.如果碰撞导致链表过⻓(⼤于等于TREEIFY_THRESHOLD)，就把链表转换成红⿊树(JDK1.8中的改动)；
5.如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯⼀性)
6.如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize
在得到下标值以后，可以开始put值进入到数组+链表中，会有三种情况：
- 数组的位置为空。
- 数组的位置不为空，且面是链表的格式。
- 数组的位置不为空，且下面是红黑树的格式。
同时 对于Key 和Value 也要经历一下步骤
- 通过 Key 散列获取到对于的Table；’
- 遍历Table 下的Node节点，做更新/添加操作；
- 扩容检测；
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
// HashMap的懒加载策略，当执行put操作时检测Table数组初始化。
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//通过``Hash``函数获取到对应的Table，如果当前Table为空，则直接初始化一个新的Node并放入该Table中。
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//进行值的判断： 判断对于是不是对于相同的key值传进来不同的value，若是如此，将原来的value进行返回
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
// 如果当前Node类型为TreeNode，调用 PutTreeVal 方法。
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果不是TreeNode，则就是链表，遍历并与输入key做命中碰撞。
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//如果当前Table中不存在当前key，则添加。
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
//超过了``TREEIFY_THRESHOLD``则转化为红黑树。
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//做命中碰撞，使用hash、内存和equals同时判断（不同的元素hash可能会一致）。
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
//如果命中不为空，更新操作。
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
//扩容检测！
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
以上就是HashMap的Put操作，若是对其中的红黑树的添加，以及Node链表和红黑树的转换过程我们暂时不进行深入的讨论，这个流程大概还是可以进行理解，下面来深入讨论扩容问题。
resise方法
HashMap 的扩容实现机制是将老table数组中所有的Entry取出来，重新对其Hashcode做Hash散列到新的Table中，可以看到注解Initializes or doubles table size. resize表示的是对数组进行初始化或
进行Double处理。现在我们来一步一步进行分析。
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
//先将老的Table取别名，这样利于后面的操作。
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//表示之前的数组容量不为空。
if (oldCap > 0) {
// 如果 此时的数组容量大于最大值
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
// 扩容 阙值为 Int类型的最大值，这种情况很少出现
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//表示 old数组的长度没有那么大，进行扩容，两倍（这里也是有讲究的）对阙值也进行扩容
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//表示之前的容量是0 但是之前的阙值却大于零， 此时新的hash表长度等于此时的阙值
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//表示是初始化时候，采用默认的 数组长度* 负载因子
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
//此时表示若新的阙值为0 就得用 新容量* 加载因子重新进行计算。
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
// 开始对新的hash表进行相对应的操作。
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
//遍历旧的hash表，将之内的元素移到新的hash表中。
for (int j = 0; j < oldCap/***此时旧的hash表的阙值*/; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//表示这个格子不为空
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
// 表示当前只有一个元素，重新做hash散列并赋值计算。
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
// 如果在旧哈希表中，这个位置是树形的结果，就要把新hash表中也变成树形结构，
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
//保留 旧hash表中是链表的顺序
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {// 遍历当前Table内的Node 赋值给新的Table。
next = e.next;
// 原索引
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);
// 原索引放到bucket里面
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap 放到bucket里面
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
get方法
1.对key的hashCode()做hash运算，计算index;
2.如果在bucket⾥的第⼀个节点⾥直接命中，则直接返回；
3.如果有冲突，则通过key.equals(k)去查找对应的Entry;
4. 若为树，则在树中通过key.equals(k)查找，O(logn)；
5. 若为链表，则在链表中通过key.equals(k)查找，O(n)。
在进行取值时候，因为对于我们传进来的key值进行了一系列的hash操作，首先，在传进来 key值时候，先进性hash操作，
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 判断 表是否为空，表重读是否大于零，并且根据此 key 对应的表内是否存在 Node节点。
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 检查第一个Node 节点，若是命中则不需要进行do... whirle 循环。
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
//树形结构，采用 对应的检索方法，进行检索。
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
//链表方法 做while循环，直到命中结束或者遍历结束。
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
containsKey 方法
根据get方法的结果，判断是否为空，判断是否包含该key
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
还知道哪些hash算法
先说⼀下hash算法⼲嘛的，Hash函数是指把⼀个⼤范围映射到⼀个⼩范围。把⼤范围映射到⼀个⼩范围的⽬的往往是为了 节省空间，使得数据容易保存。
⽐较出名的有MurmurHash、MD4、MD5等等
String中hashcode的实现
public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value;
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}
String类中的hashCode计算⽅法还是⽐较简单的，就是以31为权，每⼀位为字符的ASCII值进⾏运算，⽤⾃然溢出来等效 取模。
哈希计算公式可以计为ss[[00]]3311^^((nn–11)) ++ ss[[11]]3311^^((nn–22)) ++ …… ++ ss[[nn–11]]
那为什么以31为质数呢? 主要是因为31是⼀个奇质数，所以31i=32i-i=(i<<5)-i，这种位移与减法结合的计算相⽐⼀般的运算快很多
三问 为什么hashmap的在链表元素数量超过8时候改为红黑树
- 知道jdk1.8中hashmap改了什么吗。
- 说一下为什么会出现线程的不安全性
- 为什么在解决hash冲突时候，不直接用红黑树，而是先用链表，再用红黑树
- 当链表转为红黑树，什么时候退化为链表
第一问改动了什么
1.由数组+链表的结构改为数组+链表+红⿊树。
2. 优化了⾼位运算的hash算法：h^(h>>>16)
3. 扩容后，元素要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置，且链表顺序不变。
注意： 最后⼀条是重点，因为最后⼀条的变动，hashmap在1.8中，不会在出现死循环问题。
HashMap的线程不安全性
HashMap 在jdk1.7中 使用 数组加链表的方式，并且在进行链表插入时候使用的是头结点插入的方法。
注 ：这里为什么使用 头插法的原因是我们若是在散列以后，判断得到值是一样的，使用头插法，不用每次进行遍历链表的长度。但是这样会有一个缺点，在进行扩容时候，会导致进入新数组时候出现倒序的情况，也会在多线程时候出现线程的不安全性。
但是对与 jdk1.8 而言，还是要进行阙值的判断，判断在什么时候进行红黑树和链表的转换。所以无论什么时候都要进行遍历，于是插入到尾部，防止出现扩容时候还会出现倒序情况。
所以当在多线程的使用场景中，尽量使用线程安全的ConcurrentHashMap。至于Hashtable而言，使用效率太低。
线程安全
// 扩容
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) { // A
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; }
}
}
在jdk1.7若是产生了多线程，例如 thread1，和thread2，同时想要进入到 transfer中，此时会出现如下图所示的情况：
此时对于我们的1会拥有两个临时变量，我们称为e1与e2。这个时候，线程一会先执行上述的函数，进行数组的翻倍，并且，会进入逆序的状态， 此时的 临时变量e1和next1都已经消失，但是对于每个节点上面所拥有的连接不会更改，这个时候，1上还有一个e2临时变量，2上有一个next2临时变量。如下图所示：
完成了线程一的扩容以后，线程二也会创建一个属于自己的数组，长度也是6。这个时候开始又执行一遍以上的程序。
// 第一遍过来
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
此时完成了第一次的循环以后，进入到以上的情况，这个时候 执行e.next = newTable[i]; 寓意为： 2所表示的下一个指向 newTable[i],此时我们就发现了问题的所在，在执行完第一遍循环以后，2所表示的下一下就已经指向了 newTable[i],就是我们的1 ，当然这样我们就不用动，那我们就不动就好了，然后完成以后就如下图所示。
// 第二遍来
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
这个时候开始第三次的循环，首先执行 Entry<K,V> next = e.next; ，这个时候我们就发现了问题，e2和e2的next2都执行了1，这个时候我们再度，执行以上的语句就会指向一个空的节点，当然空就空了，暂时也还不会出现差错，但是执行到 e.next = newTable[i];时候，会发现，执行到如下图所示的情况。这个时候出现了循环链表，若是不加以控制，就会耗尽我们的cpu。
第三问为什么不一开始就使用红黑树，不是效率很高吗?
因为红⿊树需要进⾏左旋，右旋，变⾊这些操作来保持平衡，⽽单链表不需要。
当元素⼩于8个当时候，此时做查询操作，链表结构已经能保证查询性能。
当元素⼤于8个的时候，此时需要红⿊树来加快查 询速度，但是新增节点的效率变慢了。
因此，如果⼀开始就⽤红⿊树结构，元素太少，新增效率⼜⽐较慢，⽆疑这是浪费性能的。
第四问什么时候退化为链表
为6的时候退转为链表。中间有个差值7可以防⽌链表和树之间频繁的转换。
假设⼀下，如果设计成链表个数超过8则链表转 换成树结构，链表个数⼩于8则树结构转换成链表，
如果⼀个HashMap不停的插⼊、删除元素，链表个数在8左右徘徊，就会 频繁的发⽣树转链表、链表转树，效率会很低。
四问HashMap的并发问题
- HashMap在并发环境下会有什么问题
- 一般是如何解决的
问题的出现
(1)多线程扩容，引起的死循环问题
(2)多线程put的时候可能导致元素丢失
(3)put⾮null元素后get出来的却是null
不安全性的解决方案
- 在之前使用hashtable。 在每一个函数前面都加上了synchronized 但是 效率太低 我们现在不常用了。
- 使用 ConcurrentHashmap函数，对于这个函数而言 我们可以每几个元素共用一把锁。用于提高效率。
五问你一般用什么作为HashMap的key值
- key可以是null吗，value可以是null吗
- 一般用什么作为key值
- 用可变类当Hashmap1的Key会有什么问题
- 让你实现一个自定义的class作为HashMap的Key该如何实现
key可以是null吗，value可以是null吗
当然都是可以的，但是对于 key来说只能运行出现一个key值为null，但是可以出现多个value值为null
一般用什么作为key值
⼀般⽤Integer、String这种不可变类当HashMap当key，⽽且String最为常⽤。
(1)因为字符串是不可变的，所以在它创建的时候hashcode就被缓存了，不需要重新计算。 这就使得字符串很适合作为Map中的键，字符串的处理速度要快过其它的键对象。 这就是HashMap中的键往往都使⽤字符串。
(2)因为获取对象的时候要⽤到equals()和hashCode()⽅法，那么键对象正确的重写这两个⽅法是⾮常重要的,这些类已 经很规范的覆写了hashCode()以及equals()⽅法。
用可变类当Hashmap1的Key会有什么问题
hashcode可能会发生变化，导致put进行的值，无法get出来，如下代码所示：
HashMap<List<String>,Object> map=new HashMap<>();
List<String> list=new ArrayList<>();
list.add("hello");
Object object=new Object();
map.put(list,object);
System.out.println(map.get(list));
list.add("hello world");
System.out.println(map.get(list));
输出值如下：
java.lang.Object@1b6d3586
null
实现一个自定义的class作为Hashmap的key该如何实现
对于这个问题考查到了下面的两个知识点
- 重写hashcode和equals方法需要注意什么？
- 如何设计一个不变的类。
针对问题⼀，记住下⾯四个原则即可
(1)两个对象相等，hashcode⼀定相等
(2)两个对象不等，hashcode不⼀定不等
(3)hashcode相等，两个对象不⼀定相等
(4)hashcode不等，两个对象⼀定不等
针对问题⼆，记住如何写⼀个不可变类
(1)类添加final修饰符，保证类不被继承。 如果类可以被继承会破坏类的不可变性机制，只要继承类覆盖⽗类的⽅法并且继承类可以改变成员变量值，那么⼀旦⼦类 以⽗类的形式出现时，不能保证当前类是否可变。
(2)保证所有成员变量必须私有，并且加上final修饰 通过这种⽅式保证成员变量不可改变。但只做到这⼀步还不够，因为如果是对象成员变量有可能再外部改变其值。所以第4 点弥补这个不⾜。
(3)不提供改变成员变量的⽅法，包括setter 避免通过其他接⼝改变成员变量的值，破坏不可变特性。
(4)通过构造器初始化所有成员，进⾏深拷⻉(deep copy)
(5) 在getter⽅法中，不要直接返回对象本⾝，⽽是克隆对象，并返回对象的拷⻉ 这种做法也是防⽌对象外泄，防⽌通过getter获得内部可变成员对象后对成员变量直接操作，导致成员变量发⽣改变
后记
- 对于HashMap而言，扩容是一个特别消耗内存的操作。所以当程序员在使用HashMap的时候，估算map的大小，初始化的时候给一个大致的数值，避免map进行频繁的扩容。
- 负载因子是可以修改的，也可以大于1，但是建议不要轻易修改，除非情况非常特殊。
- HashMap是线程不安全的，不要在并发的环境中同时操作HashMap，建议使用ConcurrentHashMap。
