Java之Map家族

Map成员

1. HashMap的详解
2. LinkedHashMap的介绍
3. TreeMap的介绍
4. HashTable与HashMap的区别
5. ConcurrentHashMap的详解

基于JDK1.8介绍（JDK1.7）

1.HashMap的详解

• 结构：数组+链表+红黑树
• 原理：HashMap是基于hashing的原理，通过put(k,v)存储对象到HashMap中，通过get(k)方式获取对象。当使用put(k,v)传递key、value的时候，首先调用hashCode()方法，计算，bucket位置来存储Node对象。
  • put(k,v)过程：
    • 对key求Hash值，计算下标。
    • 如果没有碰撞存入桶中，碰撞则放入bucket的链表或者红黑树中。
    • 如果链表超过阈值（默认链表数超过8，总Entry数超过64）则转换为红黑树，链表长度<6则转换回链表。
    • key结点存在则替换旧值。
    • 如果桶满（容量*加载因子），就要resize（扩容2倍后重排）。
  • get(k)过程：
    • 首先将 key hash 之后取得所定位的桶。
    • 如果桶为空则直接返回 null 。
    • 否则判断桶的第一个位置(有可能是链表、红黑树)的 key 是否为查询的 key，是就直接返回 value。
    • 如果第一个不匹配，则判断它的下一个是红黑树还是链表。
    • 红黑树就按照树的查找方式返回值。
    • 不然就按照链表的方式遍历匹配返回值。

相同hashcode处理

• 优化：减少碰撞。原理是如果两个不相等的对象返回不同的 hashcode 的话，那么碰撞的几率就会小些。这就意味着存链表结构减小，这样取值的话就不会频繁调用 equal 方法，从而提高 HashMap 的性能（扰动即 Hash 方法内部的算法实现，目的是让不同对象返回不同 hashcode）。使用不可变的、声明作 final 对象，并且采用合适的 equals() 和 hashCode() 方法，将会减少碰撞的发生。
• 多线程HashMap死循环问题：因为如果两个线程都发现 HashMap 需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来。因为在resize过程中，移动到新的 bucket 位置的时候，HashMap 并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，使用的是队头插入方法。这是为了避免尾部遍历（tail traversing）。如果条件竞争发生了，那么就死循环了，这也是导致CPU飙升的原因，所以多线程的环境下不使用 HashMap，而是使用concurrentHashMap。

2.LinkedHashMap的介绍

• 原理：LinkedHashMap的实现就是HashMap+LinkedList的实现方式，以HashMap维护数据结构，以LinkList的方式维护数据插入顺序。LinkedHashMap通过维护一个运行所有条目的双向链表，LinkedHashMap保证了元素的迭代顺序。迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序。

3.TreeMap的介绍

• 是一个有序的key-value集合，它是通过红黑树实现的。
• 继承于AbstractMap，所以它是一个Map，即一个key-value集合。
• 实现了NavigableMap接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如返回有序的key集合。
• 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
• 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。
• 基于红黑树（Red-Black tree）实现。该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。
• 的基本操作 containsKey、get、put 和 remove 的时间复杂度是 log(n) 。

4.HashTable与HashMap的区别

• HashTable线程安全，HashMap线程不安全。
• HashTable不可存储null值，HashMap可以存储null值。
• HashMap去掉了HashTable的contains⽅方法，但是加上了 containsValue()和containsKey()⽅方法。

5. ConcurrentHashMap的详解

• 结构：HashEntry +红黑树+CAS+Synchronized
• 数据结构：Node（链表）、TreeNode（红黑树）、TreeBin（红黑树容器）
• 原理：

put(k,v)流程：

1. 如果没有初始化就调用initTable()。
   
2. 如果hash没有冲突就直接CAS插入。
   
3. 如果还在进行扩容就继续扩容（多线程进行）。
   
4. 如果存在hash冲突，就加锁来保证线程安全，这里有两种情况，一种是链表形式就直接遍历到尾端插入，一种是红黑树就按照红黑树结构插入。
   
5. 插入最后一个元素如果该链表的数量大于阈值8，就要先转换成黑红树的结构，break再一次进入循环。
   
6. 如果添加成功就调用addCount（）方法统计size，并且检查是否需要扩容。
   

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode()); //两次hash，减少hash冲突，可以均匀分布
    int binCount = 0;
    for (Node[] tab = table;;) { //对这个table进行迭代
        Node f; int n, i, fh;
        //这里就是上面构造方法没有进行初始化，在这里进行判断，为null就调用initTable进行初始化，属于懒汉模式初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {//如果i位置没有数据，就直接无锁插入
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)//如果在进行扩容，则先进行扩容操作
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            //如果以上条件都不满足，那就要进行加锁操作，也就是存在hash冲突，锁住链表或者红黑树的头结点
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) { //表示该节点是链表结构
                        binCount = 1;
                        for (Node e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            //这里涉及到相同的key进行put就会覆盖原先的value
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {  //插入链表尾部
                                pred.next = new Node(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {//红黑树结构
                        Node p;
                        binCount = 2;
                        //红黑树结构旋转插入
                        if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) { //如果链表的长度大于8时就会进行红黑树的转换
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);//统计size，并且检查是否需要扩容
    return null;
}

get(k)流程：

1. 计算hash值，定位到该table索引位置，如果是首节点符合就返回。
   
2. 如果遇到扩容的时候，会调用标志正在扩容节点ForwardingNode的find方法，查找该节点，匹配就返回。
   
3. 以上都不符合的话，就往下遍历节点，匹配就返回，否则最后就返回null。
   

public V get(Object key) {
    Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode()); //计算两次hash
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//读取首节点的Node元素
        if ((eh = e.hash) == h) { //如果该节点就是首节点就返回
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        //hash值为负值表示正在扩容，这个时候查的是ForwardingNode的find方法来定位到nextTable来
        //查找，查找到就返回
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {//既不是首节点也不是ForwardingNode，那就往下遍历
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}