Java集合 HashMap底层实现详解

在前面几篇文章中，我们也已经学习了关于List、Set的常用集合，今天学习最常用的Map集合：HashMap。
在学习HashMap之时，首先应该清楚明白：
HashMap的工作原理： HashMap基于hashing原理，通过put()和get()方法存储和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用对象的hashCode()方法来计算hashCode，然后找到bucket位置来存储对象(其实存储的格式依然是K-V格式，后面会介绍)。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象会以链表的方式存储在每一个bucket位置上。

HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，但决定用哪一个之前要弄清楚它们之间的分别。主要的区别：线程安全性，同步(synchronization),以及速度。

• HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是线程非安全的，Hashtable是线程安全的，HashMap可以接收null的键和值，而Hashtable不可以。
• Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable，而如果没有正确同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java5提供了ConcurrentHashMap，它正是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
• 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器(fail-fast机制是Java集合中的一种错误机制，即当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生fail-fast事件。)，而HashTable的enumerator迭代器不是fail-fast。所以当其他线程改变了HashMap的结构(增加或删除)，将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出该异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。
• 由于Hashtable是线程安全的，所以单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要进行同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。

注意：

• Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合创建了Iterator或者ListItreator,然后将其他的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其他线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出IllegalArgumentException异常。
• 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

HashMap的基本属性

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始化大小 16 
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     //负载因子0.75，即当空间使用了75%就进行扩容操作
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};         //初始化的默认数组
transient int size;     //HashMap中元素的数量
int threshold;          //判断是否需要调整HashMap的容量

结构存储示意图：
主要方法解析：

**添加方法 **

 public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) { //是否初始化
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null) //放置在0号位置
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key); //计算hash值
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算在Entry[]中的存储位置
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i); //添加到Map中
        return null;
}

在添加方法中，添加键值对时，首先对table是否初始化的判断，如果没有进行初始化(分配空间，Entry[]数组的长度)。然后进行key是否为null的判断，如果key==null，将元素放在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]中的存储位置，判断是否有相同的key,如果存在，即用新的value替换原有的value,并将旧值返回。如果key不存在于HashMap中，程序继续执行，将key-value插入到Map中。

获取方法 get

public V get(Object key) {
     if (key == null)
         //返回table[0] 的value值
         return getForNullKey();
     Entry<K,V> entry = getEntry(key);

     return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
     if (size == 0) {
         return null;
     }

     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
         e != null;
         e = e.next) {
         Object k;
         if (e.hash == hash &&
             ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
      }
     return null;
}

在get方法中，首先计算hash值，然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置，得到该位置的单链表，遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry，返回entry.value值

删除操作 remove

public V remove(Object key) {
     Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
     return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
     if (size == 0) {
         return null;
     }
     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     int i = indexFor(hash, table.length);
     Entry<K,V> prev = table[i];
     Entry<K,V> e = prev;

     while (e != null) {
         Entry<K,V> next = e.next;
         Object k;
         if (e.hash == hash &&
             ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
             modCount++;
             size--;
             if (prev == e)
                 table[i] = next;
             else
                 prev.next = next;
             e.recordRemoval(this);
             return e;
         }
         prev = e;
         e = next;
    }

    return e;
}

删除操作，先计算指定key的hash值，然后计算出table中的存储位置，判断当前位置是否Entry实体存在，如果没有直接返回，若当前位置有Entry实体存在，则开始遍历列表。定义了三个Entry引用，分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中，首先判断pre 和 e 是否相等，若相等表明，table的当前位置只有一个元素，直接将table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的连接关系，判断e的key是否和指定的key 相等，若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

是否能让HashMap同步？

HashMap时可以通过手动进行同步，Map map = Collections.synchronizeMap(new HashMap());
HashMap和HashSet的区别是经常问到的问题，两者都是Collection框架的一部分，它们让我们能够使用对象的集合。Collection框架有自己的接口实现，主要分为Set接口，List接口和Queue接口。Set接口不允许对象有重复的值，List接口允许有重复的，Queue的龚总原理是FIFO。

什么是HashMap

HashMap实现了Map接口，Map接口对键值对进行映射。Map中不允许重复的键。Map接口有两个基本的实现，HashMap和TreeMap。TreeMap保存了对象的排列次序，而HashMap则不能。HashMap允许键和值为null，HashMap是非Synchronized的，但Collection框架提供方法能保证HashMap同步，这样多个线程同时访问HashMap时，能保证只有一个线程更改Map。

HashMap和HashSet的区别

HashMap	HashSet
HashMap实现了Map接口	HashSet实现了Set接口
HashMap存储键值对	HashSet仅仅存储对象
使用put()方法将元素方法map中	使用add()方法将元素放入set中
HashMap中使用键对象来计算hashcode值	HashSet使用成员对象来计算hashcode值，对于两个对象来说hashcode可能相同，所以equals()方法用来判断对象的相等性，如果两个对象不同的话，那么返回false
HashMap比较快，因为使用唯一的键来获取对象	HashSet较HashMap来说比较慢

HashMap死锁形成原理

HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用线程安全的ConcurrentHashMap。

要理解HashMap死锁形成的原理，我们要对HashMap的resize里的transfer过程有所了解，transfer过程是将旧数组中的元素复制到新数组中，在Java 8之前，复制过程会导致链表倒置，这也是形成死锁的重要原因（Java 8中已经不会倒置）。死锁会在这种情况产生：两个线程同时往HashMap里放Entry，同时HashMap正好需要扩容，如果一个线程已经完成了transfer过程，而另一个线程不知道，并且又要进行transfer的时候，死锁就会形成。 在形成链表换以后再对HashMap进行Get操作时，就会形成死循环。

在Java 8中对这里进行了优化，链表复制到新数组时并不会倒置，不会因为多个线程put导致死循环，但是还有很多弊端，比如数据丢失等，因此多线程情况下还是建议使用ConcurrentHashMap。

总结：
HashMap是一个用于存储Key-Value键值对的集合，每一个键值对也叫做一个Entry。这些Entry分散存储在一个数组当中，这个数组就是HashMap的主干。因为table数组的长度是有限的，再好的hash函数也会出现index冲突的情况，所以我们用链表来解决这个问题，table数组的每一个元素不只是一个Entry对象，也是一个链表的头节点，每一个Entry对象通过Next指针指向下一个Entry节点。当新来的Entry映射到冲突数组位置时，只需要插入对应的链表即可。

需要注意的是：新来的Entry节点插入链表时，会插在链表的头部，因为HashMap的发明者认为，后插入的Entry被查找的可能性更大。
所以在JDK1.8之后，采用的方式：数组 + 链表 + 红黑树 的存储方式

【参考】1、 https://xinxingastro.github.io/2018/05/11/Java/HashMap底层实现原理/
2、https://blog.csdn.net/suifeng629/article/details/82179996