【Java 】 集合结构：HashMap、ArrayList等详解

键值对Map家族说明

Java为数据结构中的键值对定义了一个接口java.util.Map，此接口主要有四个常用的实现类，分别是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap，类继承关系如下图所示：

下面针对各个实现类的特点做一些说明：

1. HashMap：它根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。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ConcurrentHashMap。
2. Hashtable：Hashtable是遗留类，很多映射的常用功能与HashMap类似，不同的是它承自Dictionary类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写Hashtable，并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。Hashtable不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。
3. LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。
4. TreeMap：TreeMap实现SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。如果使用排序的映射，建议使用TreeMap。在使用TreeMap时，key必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出java.lang.ClassCastException类型的异常。

对于上述四种Map类型的类，要求映射中的key是不可变对象。不可变对象是该对象在创建后它的哈希值不会被改变。如果对象的哈希值发生变化，Map对象很可能就定位不到映射的位置了。

HashMap存储结构详解

首先来看JDK8中HashMap存储结构示例代码

/** Jdk8 HashMap 分解详解 */
public class HashMapAnalysis<K,V> {

    /** Node实现了Map.Entry用于数据存储键值对,如果K的hashCode相同,存储在Node实例中链表结构next当中,后出现的相同hashCode的键值对会出现在链表的前面。如果Key的相同(equals()方法)，会替换相同hashCode相同Key的值 */
    transient Node<K,V>[] table;

    /** 当前Map的键值对的数量 */
    transient int size;

    /** Map需要扩容的负载因子，默认0.75 */
    final float loadFactor = 0.75f ;

    /** 下一个元素大小,如果达到扩容数字(容量*加载因子),需要resize(双倍扩容) */
    int threshold;

    /** HashMap中存储对象Node对象结构 */
    private class Node<K, V> implements Map.Entry<K,V>{
        /** 当前Key的hashCode值 */
        final int hash;
        /** 当前Entry中Key对象 */
        final K key;
        /** 当前Entry中Value对象 */
        V value;
        /** 当前Entry中Key的hashCode一样Entry的下一个Entry(链表存储) */
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;  this.key = key;  this.value = value;  this.next = next;
        }
    }
}

看属性元素的说明，就能知道意思了，也可以使用下图来理解：

HashMap使用table数组+链表存储Node的，但是如何将键值对Key的hashCode值对应到table数组下标呢，看如下源码：

    //获得Key的扰动hashcode值，称为“扰动函数”
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        /** 1：>>>无符号右移16位，等于取hashCode的前16位，高位补0(hashCode值为int类型，占4个直接)
		    2：^位异或运算(相同为0、不同为1)
		    目的：此函数一般称为“扰动函数”,将hash值的高16位与低16位进行异或操作,
		      混合了高位信息和低位信息，使得得到的新值更具有随机性,
		      可以规避hashCode低位上有许多冲突造成HashMap出现较大的桶碰撞几率。
		 */
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

	//取模jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的(如下putVal()方法第4行)  
	static int indexFor(int h, int length) {
		/** length为当前table桶数组的大小(都是2个次方大小)，
		    length-1就是数组长度减一相当于一个低位掩码(低位全是1,以数组初始长度16为例，16-1=15，二进制表示就是00000000 00000000 00000000 00001111),
		    length-1与hashcode值做位与&运算,就相当于取模运算，刚好获得数组长度范围内的下标,示例如下
					00000000 00000000 00000000 00001111
				  & 11101010 00101000 10010101 10101110
				-------------------------------------------------------
				    00000000 00000000 00000000 00001110
*/ 
	    return h & (length-1); 
	} 
	//HashMap的put()方法源码，包含取模操作的jdk1.8源码
    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)
            n = (tab = resize()).length;
        //上面的n就是当前table[]桶数组的大小
        //下面就是n-1与原hash值取模的结果，作为table[]桶数组的下标值
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
 /** 这里的(length-1)^hash刚好论证了，为什么HashMap扩容大小都是2的幂次方，方面低位掩码取模操作 */

HashMap非线程安全导致死循环问题说明

在多线程工作环境下，HashMap容量达到临界值的put操作后，其他线程get操作容易导致死循环。是因为HashMap容量达到临界值会进行2倍扩容，扩容完成之后会进行数据转移的工作在transfer(JDK1.8中已没有此方法)方法中，单线程时相同hashCode的Entry链表数据转移完成后元素会倒序，如果此时发生多线程操作，就容易造成死循环，死循环原理详解本文不详细说明(内容较多可另起文章说明)。ConcurrentHashMap将原本HashMap的单个数组存储形式，分解成多个段(Segment)的形态，每个段里面的结构和以前HashMap结构类似，这样使用分段锁，来减少锁的范围，提高并发效率。

HashMap常见面试题

HashTable, HashMap，TreeMap区别？

• HashTable线程同步，HashMap非线程同步
• HashTable不允许<键,值>有空值，HashMap允许<键,值>有空值
• HashTable使用Enumeration，HashMap使用Iterator
• HashTable中hash数组的默认大小是11，增加方式的old*2+1，HashMap中hash数组的默认大小是16，增长方式一定是2的指数倍。
• TreeMap能够把它保存的记录根据键排序，默认是按升序排序

HashMap是不是有序的连环炮式发问

【你肯定回答说，不是有序的】。那面试官就会继续问你，有没有有顺序的Map实现类？ 【你说有TreeMap和LinkedHashMap】。 那么面试官接下来就可能会问你，TreeMap和LinkedHashMap是如何保证它的顺序的？【LinkedHashMap根据put的顺序保证有序，TreeMap根据Key元素的Comparable接口实现方法保证有序】。 如果你依然回答上来了，那么面试官还会继续问你，你觉得它们两个哪个的有序实现比较好？ 如果你依然可以回答的话，那么面试官会继续问你，你觉得还有没有比它更好或者更高效的实现方式？ 如果你还能说出来的话，那么就你所说的实现方式肯定依然可以问你很多问题。 以上就是一个面试官一步一步提问的例子。所以，如果你了解的不多，千万不要敷衍，因为可能下一个问题你就暴露了，还不如直接说不会，把这个问题结束掉，赶紧切换到你熟悉的领域。