Java基础 HashMap实现原理及方法
1、什么是HashMap？
????? ? HashMap通常提起他，我們想到的就是鍵值對方式存儲（key-value型式），可以接收null鍵值和null值。基于Map接口的非同步實現（也就是線程不安全），并不保證映射的順序，特別不保證這個順序恒久不變。
????????? ? 下圖是HashMap的源碼，可以看到它繼承自AbstractMap，實現Map，Cloneable，Serializable接口。其一些默認值都一一列出：
????????? ? 其中，modCount這個屬性值是記錄HashMap內部結構發生變化（指的是內部結構，相同的key,put()一個value這種覆蓋原來的值不屬于結構變化）的次數，主要用于迭代的快速失敗。
????????? ? threshold來判斷HashMap的最大容量,threshold = (int)(capacity * loadFactor)；
????????? ? loadFactor負載因子：散列表的實際元素數目/散列表的容量。
??????????其衡量的是一個散列表的空間的使用程度，負載因子越大表示散列表的裝填程度越高（裝東西越滿），使用鏈表法?的散列 表空間利用越充分，查找時間則變長效率降低；越小則結論與越大相反。
???????????Entry為HashMap的靜態內部類，從上面可以看出Entry為承載key-value的值，并且默認table為Entry數組。下面看一下Entry的源碼：
????? ? put時如果key傳入為null,那么value一定會為null，無論value輸入什么.并且map.put()/get()的返回值是value的類型，并且當存入空的時候為hashmap中數組第一位。下面是對應的小栗子：
1、
Map<String, String> map2 = new HashMap<String,String>();
String r2 = map2.put(null, null);
System.out.println("r2 "+r2);
String r3 = map2.get(null);
System.out.println("r3 "+r3);
String r4 = map2.put(null, "32");
System.out.println("r4 "+r4);
????????????輸出 結果：r2 null
??????????????????????????????r3 null
??????????????????????????????r4 null
2、
3、從此可以看出hashmap的hash方法如果key為空則默認0，否則key取hashcode異或運算h無符號右移16位
2、HashMap的數據結構是什么樣的呢？
????? ? jdk的1.8之前的版本和1.8及之后的版本HashMap的數據結構出現了一點變化。我們這里主要介紹1.8之前的數據結構。主要是數組+鏈表的結構，上面給出的屬性源碼也可以看出HashMap是這樣的數據結構（table數組，Entry類為一個鏈表的節點來存儲Key-value），也叫拉鏈法（鏈表數組）。
????? ? 在1.8之后HashMap的數據結構出現了改變，變成數組+鏈表+紅黑樹，默認值增加了樹的相關默認值，Entry類改成Node但是類里面內容沒有改變。
????????????并且增添了TreeNode節點，繼承自LinkedHashMap,LinkedHashMap則繼承自HashMap。下面是TreeNode內容：
?????????????紅黑樹是一種自平衡二叉查找樹。它的統計性能要好于平衡二叉樹（AVL樹）。這種樹結構從根節點開始，左子節點小于它，右子節點大于它。每個節點都符合這個特性，所以易于查找，是一種很好的數據結構。但是它有一個問題，就是容易偏向某一側，這樣就像一個鏈表結構了，失去了樹結構的優點，查找時間會變壞。（這里就詳細講解這個結構了以后會開一個數據結構的專欄）
????? ?閱讀源碼可以看出樹比鏈表占了更多的空間。8后，決定如何使用這兩種數據結構呢？?
? ??????? ?1、如果一個內部表的索引超過8個節點，鏈表會轉化為紅黑樹?
???????????2、 如果內部表的索引少于6個節點，樹會變回鏈表
? ? ? ? ? 當鏈表元素個數大于等于8時，鏈表轉換成樹結構；若桶中鏈表元素個數小于等于6時，樹結構還原成鏈表。因為紅黑樹的平均查找長度是log(n)，長度為8的時候，平均查找長度為3，如果繼續使用鏈表，平均查找長度為8/2=4，這才有轉換為樹的必要。鏈表長度如果是小于等于6，6/2=3，雖然速度也很快的，但是轉化為樹結構和生成樹的時間并不會太短。還有選擇6和8，中間有個差值7可以有效防止鏈表和樹頻繁轉換。假設一下，如果設計成鏈表個數超過8則鏈表轉換成樹結構，鏈表個數小于8則樹結構轉換成鏈表，如果一個HashMap不停的插入、刪除元素，鏈表個數在8左右徘徊，就會頻繁的發生樹轉鏈表、鏈表轉樹，效率會很低。
3、HashMap的工作原理
????????? ? 它的原理就是Hashing原理。在上一部分我們講到了HashMap的數組結構，每添加(put())或是獲取(get())都是向每個數組位（array[i]）對應為一個bucket里的Entry中添加鍵值對。而通過hashCode()得出一個hash值來算出bucket(水桶)的位置來進行存取（這里的運算都是位運算）。
4、HashMap的存取
? 1、存入主要是put()方法：? ??????????????
????????? ? 可以從上面源碼看出在put時，根據hash值來確定存放數組的索引位置。如果該位置上已經存放了Entry那么，那么將會以鏈表的形式存放鍵值對，原來的Entry放在next進行鏈接，及新加入的放鏈頭，原來的放鏈尾。如果該位置上沒有Entry則直接存放到對應的數組索引的位置上。
?2、取出get()方法：
????? ? 從源碼上可以看出get()也是先算取key的hash值，然后找到hash值對應的索引，看是否有鏈表，若有則看是否和鏈表中Entry的key是否相等，相等則equals()取value值。實際上就是將key-value看成一個整體Entry，來用hashCode()來查找hash值，如果有鏈表就判斷鏈表，沒有鏈表就直接取對應的數組索引。
?3、擴容resize()(rehash)方法：
5、HashMap的一些問題思考
1、什么時候會出現擴容呢？
????
????? ? 源碼上addEntry是size大于threshold時開始調用resize()方法。也就是HashMap中，數組元素超過了數組閥值的時候就重新擴容，以降低實際的負載因子。(threshold>capacity*loadfactor)默認的的負載因子 0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇。當容量超出此最大容量時， resize后的HashMap 容量是原容量的兩倍。
2、HashMap容量一定為2的冪呢？
????????? ? 首先，我們希望元素存放的更均勻，最理想的效果是每個bucket中存放一個Entry（key-value）。這樣查詢的時候效率高，不需要遍歷鏈表，也不需要equals去比較鏈表中的key的內容。而且，這樣空間利用率最大，時間復雜度最優。因為HashMap的底層數組的長度為2^n次方，不同的key算得的index的相同幾率較小，數組上分布就比較均勻，也就是碰撞幾率小，相對查詢時效率會高。
????????????假設：數組長度為32時，即為2的n次方時，2n-1得到的二進制數的每個位上的值都為1，這使得在低位上&時，得到的和原hash的低位相同，加之hash(int h)方法對key的hashCode的進一步優化，加入了高位計算，就使得只有相同的hash值的兩個值才會被放到數組中的同一個位置上形成鏈表。
3、Hash沖突（碰撞）及解決Hash沖突的方法？????????
??????????? ?hash沖突就是當hash值相同,此時他們確定的索引位置相同，這時他們的key如果不相同，則為hash沖突。
????????? ? 解決hash沖突的辦法：
????????????????? ? 通常有：1、開放定址法 （基本思想是通過一個探測算法，當某個槽位已經被占據的情況下據需查找下一個可以使用的槽位）。?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2、再哈希法（基本思想是同事構造多個哈希函數，當函數1沖突時，再用下一個方法計算，直到沖突不再產生）。這種方法不已長生聚焦，但增加計算時間。? ??????????????????????????????????????? ?? ??
?
??????????????????????????????????3、鏈地址法（基本思想是將相同的hash值的對象組成一個成為同義詞鏈的單鏈表，并將單鏈表的頭指針存在哈希表的這個hash值中）。適用于經常插入和刪除。
??????????????????????????????????4、建立公共溢出區（將哈希表分為基本表和溢出表兩部分，凡是發生沖突的都放在溢出表中）。
????????????? ? Java.until.HashMap就是采用鏈表法的方式。當發生碰撞，對象將會存儲在LinkedList的下一結點中。HashMap在每個LinkedList節點中存儲鍵值對對象。
4、重新調整HashMap大小存在的問題?
????? ????HashMap數組擴容后很消耗性能：原數組中的數據必須重新計算其出現在新數組中的位置，并存儲進去。
?????????在多線程下，HashMap擴容后可能會產生條件競爭（race condition）。如果兩個線程都發現HashMap需要重新調整大小，他們會同時試著調整大小，在調整大小的過程中，存儲在LinkedList中的元素次序會反過來，因為移動到新的bucket位置的時候Hashmap并不會將元素放在LinkedList的尾部，而是放在頭部，這是為了避免尾部遍歷（tail traversing）。如果條件競爭產生，就會出現死循環。
5、Fail-First機制?
???java.util.HashMap 不是線程安全的，因此如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了 hashmap，那么將拋出 ConcurrentModificationException，這就是所謂 fail-fast 策略。?
? ? ? ?在迭代過程中，判斷 modCount 跟 expectedModCount 是否相等，如果不相等就表示已經有其他線程修改了 Map，則會拋出異常，下圖是源代碼：?
? 解決辦法：
????????1、在遍歷過程中所有涉及到改變modCount值得地方全部加上synchronized或者直接使用Collections.synchronizedList，這樣就可以解決。但是不推薦，因為增刪造成的同步鎖可能會阻塞遍歷操作。? ? ? ? ??
????????2、使用CopyOnWriteArrayList來替換ArrayList。推薦使用該方案。
6、為什么String, Interger這樣的wrapper類適合作為鍵？
????????? ?因為他們由final修飾，使用不可變類就能保證hashCode是不變的，而且重寫了equals和hashcode方法，避免了鍵值對改寫。如果兩個不相等的對象返回不同的hashcode的話，那么碰撞的幾率就會小些，提高HashMap性能。
????????
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java基础 HashMap实现原理及方法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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