JAVA中HashMap、HashTable和ConcurrentHashMap

HashMap

首先有一个table数组，数组的每个节点都是Entry类型。实际上就是数组+链表的形式。

• HashMap初始化过程就是新建一个大小为capacity，类型为Entry的数组。默认生成一个大小为16，填装因子为0.75的HashMap。（填装因子越小，备用内存越多，冲突越小）
• 如果链表长度大于8，而table长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY（默认值是64）时，还不会变成红黑树，而是调用resize()方法扩容。
• 如果链表长度大于8，且table大于等于64了，就将链表转换为红黑树。

HashMap实现原理及扩容机制
深入解析hashmap

HashMap使用红黑树而不使用AVL

• 红黑树适合修改操作，AVL更适合查找操作
• AVL树的旋转比红黑树的旋转更加难以平衡和调试

hashmap使用红黑树而不使用AVL

扩容机制

关于为什么初始容量是2的n次幂扩容是2倍

JDK1.7：把原table的Node用头插法放到心得table中（新table和旧table中顺序是反的）
indexFor():计算在新table中的下标用。hash值和（length-1）按位与

    /**
     * Returns index for hash code h.
     */
    static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

JDK1.8：hash值与旧table的length相与，如果为0，就说明在新table中下标和旧table中相同，如果相与为1，就说明新table下标为原下标加原table长度。

在扩容完成之后，如果某个节点的是树，同时现在该节点的个数又小于等于6个了，则会将该树转为链表。

Entry类

Entry类是HashMap的内部类，包含（next——指向一个Entry的指针，key，value，hash）

往HashMap中添加元素——put(key,value)函数

1. 如果key为null，先在table[0]链上查找是否有key为null的Entry对象，如果有则覆盖，没有则新生成一个key为null的Entry对象，然后放在table[0]的位置
2. 如果key不为null，则通过hash(key)算出hash值以此确定放在table的哪条链。
3. 如果该链上已经有一个key也相同（由2可知hash相同）的，则用新的value覆盖之前的值。
4. 如果没有key相同的，则新生成一个Entry对象插入到链表中

重点：

• HashMap中的key可以为null，此时hash=0
• 用户插入（key,value）时不是直接放到HashMap中，而是新生成一个Entry对象后再插入到HashMap中（可能涉及扩充）。
• 如果对应链上（hash相同）有key相同的Entry，则直接覆盖value，不生成Entry对象。

从HashMap取元素——get(Object key）函数

1. 如果key为null，则在table[0]这条链上找，找到返回value值，否则返回null
2. 通过getEntry(key)——先通过hash(key)找到hash值确定在table的位置，然后在该链查找key相同的，没有找到返回null，找到了返回该entry。
3. 通过entry.getValue()返回2中entry的vaule值

重点

• 先由hash值找到链，再用key在链上找
• key为null则只在table[0]上找
• getEntry()返回的是Entry对象，而get()需要的是Entry对象的value值
• 不能由get方法判断HashMap中是否存在某个键，因为get方法返回null时，既可以表示HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。应该用containsKey()来判断。

keySet()和entrySet()

• 都是用来遍历HashMap的
• keySet的迭代器可以依次获取下一个key值，再根据key值取得value值
• entrySet可以通过迭代器直接获得下一个entry值，所以entrySet比keySet快

Hashtable

• HashTable是线程安全的
• HashTable线程安全的策略实现代价非常大

Hashtable是线程安全的哈希表，通过synchronized来保证线程安全，get/put所有相关操作都是synchronized的。多线程通过同一个“对象的同步锁”来实现并发控制，相当于给整个哈希表加了一大把锁，当一个线程访问Hashtable的同步方法时，其他线程如果也访问Hashtable的同步方法可能会进入阻塞状态。

ConcurrentHashMap

线程安全的哈希表

• JDK1.7中，通过“分段锁”来保证线程安全，容器中有多把锁，每一把锁锁一段数据。本质上也是一个“可重入的互斥锁”（ReentrantLock），多线程对同一个片段访问，互斥；对不同片段访问，可以同步进行。ReentrantLock+segment+HashEntry
• JDK1.8中，使用CAS原子更新，volatile关键字，synchronized可重入锁实现。
  synchronized+CAS+HashEntry+红黑树

（JDK1.8中） 主要采用数组+链表+红黑树的形式实现。

Node：ConcurrentHashMap存储结构的基本单元，继承于HashMap的Entry，用于存储数据，对value和next设置了volatile同步锁
TreeNode：继承于Node，数据结构换成了二叉树结构，是红黑树的数据存储结构。通过TreeNode代替Node来转换成红黑树
TreeBin：存储树形结构的容器，是封装TreeNode的容器，提供转换为红黑树的一些条件和锁的控制

ConcurrentHashMap实现原理及源码分析

添加元素——put方法

1. 数组是否初始化，没有则调用initTable()方法进行初始化过程（sizeCtl=0，其他线程正在初始化；sizeCtl=-1，正在初始化，防止其他线程进入；初始化完成，sizeCtl改为0.75*n）
2. 通过计算hash值来判断放到数组哪个位置
3. 没有hash冲突则直接CAS自旋锁插入
4. 如果有hash冲突，则取出数组中的该节点。如果该hash值为MOVED(-1)，表示正在对该数组进行扩容，那么协助扩容
5. 判断取出的节点位置存放的是链表还是树
6. 链表则遍历整个链表，若有key相等，说明是同一个key，则直接覆盖之前的value，否则添加到链表的末尾
7. 如果是树，则调用putTreeVal把元素添加到树中
8. 添加完成后调用addCount()方法统计size，判断目前该节点有多少个节点，如果达到8个以上，则用treeifyBin()方法将该处的链表转为树，或者扩容数组

扩容transfer

• 构建一个nextTable，容量是原来的两倍，由单线程完成。
• 将原来的元素复制到nextTable中，允许多线程操作
• 扩容的时候，可以对数组进行读写操作

取出元素——get方法

计算hash值判断在数组哪个位置，然后遍历链表或树。

JDK1.7和JDK1.8比较

• JDK1.8的数据结构更加坚定，去掉了Segment，使用synchronized进行同步锁粒度降低，不需要分段锁概念，实现复杂度增加
• JDK1.8用红黑树优化链表
• 用内置锁synchronized代替重入锁ReentrantLock

HashMap和Hashtable的区别

• HashMap是Hashtable的轻量级实现，HashMap允许null键值，而Hashtable不允许
• HashMap没有contains方法，而是containsKey和containsValue
• Hashtable是线程安全的，HashMap不是线程安全的
• HashMap使用Iterator，Hashtable使用Enumeration
• Hashtable中，hash数组默认大小是11，增加的方式是old*2+1，HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的倍数