每日一面——谈谈你对HashMap的理解(小朋友问号的解答……)
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题目描述
谈谈你对HashMap的理解。
题目分析
之前已经说过了HashMap的重要性，在此就不再赘述。本文将以源码为依据，回答之前提出的十一个问题，并对HashMap做一个小总结。
题目解答
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什么是HashMap?
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经常会有这样的场景，已知某些键的信息，需要查找与之对应的元素，这就需要一种能够保存映射关系的数据结构用来存放键值对。这就是映射型数据结构诞生的初衷，而HashMap就是Java提供的对于映射型数据结构的一种通用实现。
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为了清晰地把握HashMap在整个Map家族中的地位，菜鸡绘制了如下关系图。
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HashMap的底层结构是怎样的？
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在JDK1.8中，HashMap的主体结构是一个Node数组，而Node的本质就是一个键值对，不妨看看Node类的源码，此处只需关注Node类的主体结构即可。
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static class Node implements Map.Entry {
final int hash;
final K key;
V value;
Node next;
Node(int hash, K key, V value, Node next) {...}
public final K getKey() {...}
public final V getValue() {...}
public final String toString() {...}
public final int hashCode() {...}
public final V setValue(V newValue) {...}
public final boolean equals(Object o) {...}
}
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然而，仅仅使用Node数组难以解决哈希冲突，因此，引入了链表采用链地址法解决哈希冲突。
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而当冲突过多导致链表过长的时候，查询效率会下降，为了改善查询效率，在链表过长(默认长度大于8)的时候，会自动转化为红黑树(特殊情况，如果Node数组的长度小于64，则会进行数组扩容，而不是将链表转化为红黑树)。
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JDK1.8与JDK1.7相比，HashMap有哪些变化？
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底层结构变化，JDK1.7HashMap底层是数组+链表，JDK1.8HashMap底层是数组+链表+红黑树。
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put()方法变化，JDK1.7HashMap的put()方法采用的是头插法，JDK1.8HashMap的put()方法采用的是尾插法。
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哈希值以及下标的计算也不同。JDK1.7中的hash函数对哈希值的计算直接使用key的hashCode值，而JDK1.8中则是采用key的hashCode异或上key的hashCode进行无符号右移16位的结果，避免了只靠低位数据来计算哈希时导致的冲突，计算结果由高低位结合决定，使元素分布更均匀。
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扩容时的细节处理也不同。JDK1.7是通过更新hashSeed来修改hash值达到分散的目的，而JDK1.8是扩容时通过hash&cap == 0将链表分散，无需改变hash值。
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HashMap是线程安全的吗？为什么？如何保证线程安全？
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HashMap是非线程安全的。
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原因是其put()方法是非线程安全的，在JDK1.7中，由于采用的是头插法，在多线程环境下，可能会形成闭环而导致死循环，而在JDK1.8中改用了尾插法，虽然可以避免多线程环境下的死循环问题，但依然有可能造成数据丢失，因此是线程不安全的，详细源码见接下来有关put()方法的问题解答。
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通过ConcurrentHashMap代替HashMap来保证线程安全。
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HashMap与Hashtable的区别是什么？
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底层数据结构：JDK1.8HashMap底层结构是数组+链表+红黑树，而Hashtable是数组+链表。
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线程是否安全：HashMap是非线程安全的，而Hashtable是线程安全的，原因是其内部的方法基本都经过sychronized关键字修饰，但这也导致了锁粒度较大，已被弃用。多线程环境下建议使用ConcurrentHashMap。
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细节上的不同：
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HashMap支持null作为键，而Hashtable不支持；
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在容量大小方面，在创建对象时不指定容量大小的情况下，HashMap的默认容量大小为16，后续每次扩容，容量大小变为原来的2倍；而Hashtable的默认容量大小为11，后续每次扩容，容量大小变为原来的2n + 1。在创建对象时指定容量大小的情况下，HashMap会将其扩容至2的幂次方大小，也就是说，在任何情况下，HashMap的容量都将是2的幂次方，这是为了在计算元素所在的数组下标时，用位运算取代取模运算，以提高效率；而Hashtable则会直接使用指定的值作为容量的大小。
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HashMap与HashSet有什么联系？
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HashSet底层就是通过HashMap实现的。
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主要有四种，分别是默认的构造方法、指定容量的构造方法、指定容量与负载因子的构造方法、通过其他Map进行构造的方法。一般情况下，最好采用指定容量的构造方法，这需要对使用场景下HashMap的容量有一个合理的预估，这样可以避免频繁扩容导致的性能损失，或者容量过大带来的资源浪费。
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HashMap的构造方法有哪几种？有什么区别？
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默认的构造方法
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public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
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指定容量的构造方法
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public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
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指定容量与负载因子的构造方法
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public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
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通过其他Map进行构造的方法
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public HashMap(Map m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
// 迭代复制
putMapEntries(m, false);
}
final void putMapEntries(Map m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) {
if (table == null) { // pre-size
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
else if (s > threshold)
resize();
for (Map.Entry e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
// put()方法的源码详解中会有该方法的详细实现
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
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HashMap的put()方法的过程是什么？
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为了清晰地展示put()方法的过程，菜鸡借用美团技术团队的一张图，结合源码进行说明。
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public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node[] tab; Node p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 线程不安全
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
结合图与源码，HashMap的put()方法的过程描述如下。
判断键值对数组table[i]是否为空或为null，若是则进行扩容，接下来计算数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，否则判断table[i]的首个元素是否和key相同，若是则覆盖value，否则判断table[i] 是否为treeNode，若是则直接在红黑树中插入键值对，否则遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，若是则将链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作，遍历过程中若发现key存在则覆盖value，插入成功后，判断实际存在的键值对数量是否大于最大容量，若是则进行扩容。
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HashMap的get()方法的过程是什么？
public V get(Object key) {
Node e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node getNode(int hash, Object key) {
Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
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))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
结合源码，HashMap的get()方法的过程描述如下。
首先判断表是否为空或null，若是则返回null，否则判断哈希值是否相等并且对象是否相等(短路求值，提高效率)，若是则返回该对象，否则判断结点是红黑树的结点还是链表的结点，并进行相应的查询操作，若查询到结果则返回，否则返回null。
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HashMap如何计算哈希值？为什么？
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
由源码可见，JDK1.8中则是采用key的hashCode异或上key的hashCode进行无符号右移16位的结果。这样做的原因是避免只靠低位数据来计算哈希时导致的冲突，计算结果由高低位结合决定，使元素分布更均匀。
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HashMap的扩容的过程是什么？
final Node[] resize() {
Node[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node loHead = null, loTail = null;
Node hiHead = null, hiTail = null;
Node next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
由源码可知，在扩容时，使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍)，所以，元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置。
以上就是菜鸡对HashMap的一个小总结，供大家参考，多读源码涨知识！
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