JAVA集合-HashMap的实现原理

1.HashMap工作原理　　

　　当我们往hashmap中put元素的时候，先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。如果这个元素所在的位子上已经存放有其他元素了（两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，即发生了哈希冲突），如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry的 value；如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放，java1.7及以前版本采用头插法，java1.8开始采用尾插法。并且java1.8中，如果链表长度超过阈值（TREEIFY THRESHOLD==8），就把链表转成红黑树，链表长度低于6，就把红黑树转回链表。如果桶满了（容量16 * 加载因子0.75），就需要 resize（扩容2倍后重排）

　　我们调用 get() 方法，HashMap 会使用键对象的 hashcode 找到 bucket 位置，找到 bucket 位置之后，会调用 keys.equals() 方法去找到链表中正确的节点，最终找到要找的值对象。从这里我们可以想象得到，如果每个位置上的链表只有一个元素，那么hashmap的get效率将是最高的，但是理想总是美好的，现实总是有困难需要我们去克服。

　　zjp：当我们在hashmap中put元素的时候：

　　　　1.首先对key的hashcode作hash运算，计算其在数组中的位置；

　　　　2. 如果没发生碰撞,即两个key的hashcode不相等，就直接放在bucket里;

　　　　3. 如果发生碰撞，即两个key的hashcode相等，并且如果这两个key通过equals比较返回false，那么就把元素以链表的形式存放在bucket后面；

　　　　4.如果发生碰撞，但是，这两个key通过equals比较返回true，那么就就替换Old value；

　　　　5.如果碰撞导致链表长度过长，就把链表转变成红黑树；

　　　　6.如果bucket满了，就要resize;

　　当我们在hashmap中get元素的时候：

　　　　1.首先对key的hashcode作hash运算，计算其在数组table中的位置index；

　　　　2.如果在bucket（即table[Index]）上的第一个节点命中，则直接返回；

　　　　3.如果发生冲突，则通过key.equals(k)去查找对应的Entry;

　　　　4.如果这个bucket上的数据结构是 树，则在树中通过key.equals(k)查找，O(logn);

　　　　5.如果这个bucket上的数据结构是 链表，则在链表上通过key.equals(k)查找，O(n);

2.HashMap容量为2次幂的原因

　　我们先来说一下hash算法，我们可以看到在hashmap中要找到某个元素，需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过hashmap的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个hashmap里面的元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用hash算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表。 

所以我们首先想到的就是把hashcode对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，能不能找一种更快速，消耗更小的方式那？java中时这样做的：

static int indexFor(int h, int length) {  
       return h & (length-1);  
   } 

　　首先算得key得hashcode值，然后跟数组的长度-1做一次“与”运算（&）。看上去很简单，其实比较有玄机。比如数组的长度是2的4次方，那么hashcode就会和2的4次方-1做“与”运算。很多人都有这个疑问，为什么hashmap的数组初始化大小都是2的次方大小时，hashmap的效率最高，我以2的4次方举例，来解释一下为什么数组大小为2的幂时hashmap访问的性能最高。 

         看下图，左边两组是数组长度为16（2的4次方），右边两组是数组长度为15。两组的hashcode均为8和9，但是很明显，当它们和1110“与”的时候，产生了相同的结果，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，8和9会被放到同一个链表上，那么查询的时候就需要遍历这个链表，得到8或者9，这样就降低了查询的效率。同时，我们也可以发现，当数组长度为15的时候，hashcode的值会与14（1110）进行“与”，那么最后一位永远是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！

　　

 　　所以说，当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key算得得index相同的几率较小，那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰撞的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率也就较高了。 
          说到这里，我们再回头看一下hashmap中默认的数组大小是多少，查看源代码可以得知是16，为什么是16，而不是15，也不是20呢，看到上面annegu的解释之后我们就清楚了吧，显然是因为16是2的整数次幂的原因，在小数据量的情况下16比15和20更能减少key之间的碰撞，而加快查询的效率。 

　　zjp: HashMap中是如何得到元素在数组中的位置的呢？在hashmap源码中，首先通过key.hashcode（）得到hash值，然后与（数组的长度-1）作与运算。只有当数组的长度为2的n次幂时，数组的长度-1然后进行与运算才能得到每一位都是1的值，保证数组的每一位都可以利用到，如果得到的值在某一位为0，这样可能导致不能完全的对数组使用，造成数据分配不均的问题。

3.HashMap的resize

　　当hashmap中的元素越来越多的时候，碰撞的几率也就越来越高（因为数组的长度是固定的），所以为了提高查询的效率，就要对hashmap的数组进行扩容，数组扩容这个操作也会出现在ArrayList中，所以这是一个通用的操作，很多人对它的性能表示过怀疑，不过想想我们的“均摊”原理，就释然了，而在hashmap数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是resize。 

         那么hashmap什么时候进行扩容呢？当hashmap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为0.75，也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当hashmap中元素个数超过16*0.75=12的时候，就把数组的大小扩展为2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知hashmap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高hashmap的性能。比如说，我们有1000个元素new HashMap(1000), 但是理论上来讲new HashMap(1024)更合适，不过上面annegu已经说过，即使是1000，hashmap也自动会将其设置为1024。 但是new HashMap(1024)还不是更合适的，因为0.75*1024 < 1000, 也就是说为了让0.75 * size > 1000, 我们必须这样new HashMap(2048)才最合适，既考虑了&的问题，也避免了resize的问题。

zjp: 当hashmap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为0.75，也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当hashmap中元素个数超过16*0.75=12的时候，就把数组的大小扩展为2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置.

4.HashMap并发状态下扩容出现的死循环问题（java1.7）

hashmap用数组+链表。数组是固定长度，链表太长就需要扩充数组长度进行rehash减少链表长度。如果两个线程同时触发扩容，在移动节点时会导致一个链表中的2个节点相互引用，从而生成循环链表。

HashMap的方法不是线程安全的。HashMap在并发执行put操作时发生扩容，可能会导致节点丢失，产生环形链表等情况。 节点丢失，会导致数据不准 生成环形链表，会导致get()方法死循环。

知识拓展

在jdk1.7中，由于扩容时使用头插法，在并发时可能会形成环状链表，导致死循环，在jdk1.8中改为尾插法，可以避免这种问题，但是依然避免不了节点丢失的问题。

5.HashMap和ConcurrentHashMap的区别

1.在jdk1.7版本中，ConcurrentHashmap对整个桶数组进行了分割分段（Segment），然后在每一个分段上都用Lock锁进行保护，相对于Hashtable的全局Synchronized锁的粒度更精细了一些，并发性能更好，而HashMap没有锁机制，不是线程安全的。（ 到了 JDK1.8 的时候ConcurrentHashmap摒弃了Segment的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。）

2.HashMap的键值对允许有null，但是ConCurrentHashMap都不允许。

6.Hashtable和ConcurrentHashMap的区别

主要区别是实现线程安全的方式： ① 在JDK1.7的时候，ConcurrentHashMap（分段锁） 对整个桶数组进行了分割分段(Segment)，每一把锁只锁容器其中一部分数据，多线程访问容器里不同数据段的数据，就不会存在锁竞争，提高并发访问率。（默认分配16个Segment，比Hashtable效率提高16倍。） 到了 JDK1.8 的时候已经摒弃了Segment的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6以后 对 synchronized锁做了很多优化） 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在JDK1.8中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本；② Hashtable(同一把锁) :整个表结构共用一把锁，使用 synchronized 来保证线程安全，效率非常低下。当一个线程访问同步方法时，其他线程也访问同步方法，可能会进入阻塞或轮询状态，如使用 put 添加元素，另一个线程不能使用 put 添加元素，也不能使用 get，竞争会越来越激烈效率越低。

7.HashMap和Hashtable和ConcurrentHashMap的区别

ConcurrentHashMap 结合了 HashMap 和 HashTable 二者的优势。HashMap 没有考虑同步，HashTable 考虑了同步的问题。但是 HashTable 在每次同步执行时都要锁住整个结构。 ConcurrentHashMap 锁的方式是稍微细粒度的。

 8.对比图

HashTable:

JDK1.7的ConcurrentHashMap：

 

JDK1.8的ConcurrentHashMap（TreeBin: 红黑二叉树节点 Node: 链表节点）：

 

答：ConcurrentHashMap 结合了 HashMap 和 HashTable 二者的优势。HashMap 没有考虑同步，HashTable 考虑了同步的问题。但是 HashTable 在每次同步执行时都要锁住整个结构。 ConcurrentHashMap 锁的方式是稍微细粒度的。

9 ConcurrentHashMap 底层具体实现知道吗？实现原理是什么？

JDK1.7

首先将数据分为一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。

在JDK1.7中，ConcurrentHashMap采用Segment + HashEntry的方式进行实现，结构如下：

一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组。Segment 的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构，一个 Segment 包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是一个链表结构的元素，每个 Segment 守护着一个HashEntry数组里的元素，当对 HashEntry 数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的 Segment的锁。

1. 该类包含两个静态内部类 HashEntry 和 Segment ；前者用来封装映射表的键值对，后者用来充当锁的角色；
2. Segment 是一种可重入的锁 ReentrantLock，每个 Segment 守护一个HashEntry 数组里得元素，当对 HashEntry 数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的 Segment 锁。

JDK1.8

在JDK1.8中，放弃了Segment臃肿的设计，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现，synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发，效率又提升N倍。

结构如下：

 10.为什么重写了equals，一定要重写hashcode()？

　　通俗的讲，就是equals（）和hashcode（）方法要保持相当程度的一致性，equals（）方法相等，hashcode（）必须相等；反之，equals方法不相等，hashcode可以相等，可以不相等。但是两者的一致有利于提高哈希表的性能。所以，源码注释来看，两方法的同时重写是很必要的。

　　如果只重写equals（），不重写hashcode()方法，equals（）相等的的两个等价对象因为hashCode不同，所以在hashmap中的table数组的下标不同，从而这两个对象就会同时存在于集合中，

　　就举最简单的例子，假定HashMap中以String为key，即HashMap<String,Object>，如果String只重写了equals方法，没有重写hashCode方法，同时put两个键完全相同的键值对，类似<"aaa", Object1>、<"aaa", Object2>, 则不会进行覆盖操作，即object2替换object1,而是会进行两次添加操作。因为HashMap，hash值的计算完全依赖于key的hashCode值，如果没有重写hashCode方法，就会调用object的hashcode（）方法，这个方法是根据对象的地址生成的hash值。会导致两个字符串对象映射到hash表中的不同位置。