Java中HashMap原理与分析
HashMap的底层数据结构
HashMap是以Key-Value的方式进行数据结构存储的一种数据结构。
JDK1.7采用的是数组+链表，使用Entry类存储key和value
JDK1.8采用的是数组+链表/红黑树，使用Node类存储key和value。
HashMap扩容为什么总是2的次幂
HashMap扩容主要是给数组扩容的，因为数组长度不可变，而链表长度是可变长度。在HashMap的源码中可以看到HashMap在扩容时选择了位运算，向集合中添加元素时，会使用(n-1)&hash的计算方法来得出该元素在集合中的位置。只有当对应位置的数据都为1时，运算结果也为1，当HashMap的容量是2的n次幂时，(n-1)中的n是容量，(n-1)的2进制也就是11111***1111这样形式的，这样与添加元素的hash值进行位运算时，能够充分的散列，使得添加的元素均匀分布在HashMap的每个位置上，减少hash碰撞。
HashMap扩容死循环问题
JDK1.7中HashMap采用头插法拉链表，所谓头插法，也就是说新插入的数据会从链表的头节点进行插入。
HashMap正常情况下的扩容就是这样一个过程，旧HashMap的节点会依次转移到新的HashMap中，旧HashMap转移链表元素的顺序是A，B，C，而新HashMap使用的是头插法插入，所以扩容完成后最终在新HashMap中链表元素的顺序是C，B，A。
导致死循环的原因：
第一步：线程启动，有线程T1和线程T2都准备对HashMap进行扩容操作，此时T1和T2执行都是链表头节点A，而T1和T2的下一个节点分别是T1.next和T2.next，它们都是执行B节点。
第二步：开始扩容，这时候，假设线程T2的时间片用完，进入休眠状态，而线程T1开始执行扩容操作，一直到线程T1扩容完成后，线程T2才被唤醒。
T1完成扩容之后
因为HashMap扩容采用的是头插法，线程T1执行之后，链表中的节点顺序发生了改变。但线程T2对于发生的一切还是不可知的，所以它指向的节点引用依然没变。如图所示，T2指向的是A节点，T2.next指向的是B节点。
当线程T1执行完成之后，线程T2恢复执行时，死循环就发生了。
因为T1执行完扩容之后，B节点的下一个节点是A，而T2线程指向的首节点是A，第二个节点是B，这个顺序刚好和T1扩容之前的节点顺序是相反的。T1执行完之后的顺序是B到A，而T2的顺序是A到B，这样A节点和B节点就形成了死循环。
3、解决方案
避免HashMap发生死循环的常用解决方案有三个：
1)、使用线程安全的ConcurrentHashMap替代HashMap，个人推荐使用此方案。
2)、使用线程安全的容器Hashtable替代，但它性能较低，不建议使用。
3)、使用synchronized或Lock加锁之后，再进行操作，相当于多线程排队执行，也会影响性能，不建议使用。
由链表到红黑树的转变
为了解决JDK1.7中的死循环问题，在JDK1.8中新增了红黑树。
当链表长度大于阈值（默认为 8）时，会首先调用 treeifyBin()方法。
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;
}
这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是执行 resize() 方法对数组扩容。
/**
* Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
* table is too small, in which case resizes instead.
*/
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
HashMap的put方法和get方法
put方法中，在存储k-v键值对的时候，我们首先会调用一个hash方法，然后通过这个方法，可以计算出Key的Hash值，从而得到一个10进制的数字，用这个数字和数组的长度减一去取模，就可以得到一个结果，也就是数组的下标，然后我们根据这个下标去找到数组中存储的这个单向链表，然后把链表中的每一个Key和要插入的Key进行一个equals()的比较，如果是相等的话，就直接更新这个value值，也就是覆盖，如果不相等的话把新的k-v值put()到这个链表中，在Put的过程中，我们当哈希表中存储键值对超过数组长度乘以负载因子的时候，就会对这个数组扩容为两倍，还有就是在插入链表的时候，如果链表长度超过了我们默认阈值为8的时候，结点的数据结构就会自动转化为一个红黑树的结构。
get()方法中，首先会先去调用hash方法，然后对key进行计算，用这个数字和数组的长度减一取模，也就是数组的下标，然后我们再遍历这个下标对应的链表元素，再进行equals的比较，如果key相同的话就把这个元素取回并返回给用户。
HashMap扩容机制
不管是JDK1.7或JDK1.8当put方法执行的时候，如果table为空，则执行resize()方法扩容。默认长度是16。
阈值：threshold = 容量 * 负载因子
默认情况下，HashMap的负载因子是0.75。因此，threshold的值等于容量的75%。
例如，如果HashMap的容量是16，那么threshold的计算结果为：
threshold = 16 * 0.75 = 12
JDK1.7扩容必须同时满足两点：
JDK1.7 是先扩容,在添加。具体put是否扩容需要两个条件：
- 存放新值的时候当前已有元素的个数必须大于等于阈值
- 存放新值的时候当前存放数据发生hash碰撞（当前key计算的hash值换算出来的数组下标位置已经存在值）
扩容方法是在addEntry方法中
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//1、判断当前个数是否大于等于阈值
//2、当前存放是否发生哈希碰撞
//如果上面两个条件否发生，那么就扩容
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
//扩容，并且把原来数组中的元素重新放到新数组中
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
扩容使用的是头插法
扩容之后对table的调整：
table容量变为2倍，所有的元素下标需要重写计算，newIndex=hash&(newLength-1)
JDK1.8 HashMap两种扩容的情况。
-
当map实际数量等于threshold容量的阈值时，会进行两倍扩容。
-
当map中数组中某个桶的链表长度大于树形化阈值TREEIFY_THRESHOLD=8时，
并且map元素的数量小于树形化最小容量MIN_TREEIFY_CAPACITY=64时候，容量进行两倍扩容。
否则树形化阈值8并且map元素个数大于64时，进行链表转红黑树。
扩容总结：
jdk1.7的时候先检查是否需要进行扩容，再插入数据
当满足两个条件，存放新的元素时，已经存在的元素个数必须大于阈值。存放新的元素时，与已经存在的元素发生hash碰撞（新元素key计算hash值换算出来的数组下标的位置上已经存在元素），满足这两个条件就会进行扩容。扩容后数据会根据hash值重新计算索引的位置，然后将数据存放到对应的位置上。
jdk1.8先插入数据，再检查是否需要扩容。当map实际数量等于阈值时和链表元素大于等于8，数组容量小于64时，会进行两倍扩容。当链表元素大于等于8，并且数组的容量达到64时，则将链表结构转换为红黑树结构。当我们在删除元素后，当红黑树中的节点小于等于6时，则红黑树结构转换为链表结构。
HashMap 在扩容时为什么通过位运算 (e.hash & oldCap) 得到下标？
举个例子，假设table原长度是16（由于源码中for循环时table长度从0开始所以-1），扩容后长度是32，那么一个hash值在扩容前后的table下标是怎么计算的：
hash值的每个二进制位用abcde来表示，那么hash和新旧table按位与的结果，最后4位显然是相同的，唯一可能出现的区别就是第5位，也就是hash值的b所在的那一位，如果b所在的那一位是0，那么新table按位与的结果和旧table结果相同，反之如果b所在那一位是1，则新table按位与的结果就比旧table的结果多了10000（二进制），而这个二进制就是旧table的长度
换言之，hash值的新散列下标是不是需要加上旧table长度，只需要看看hash值第5位是不是1就行了，位运算的方法就是hash值和10000（也就是旧table长度）来按位与，其结果只可能是10000或者00000。
所以，e.hash & oldCap，就是用于计算位置b到底是0还是1用的，只要其结果是0，则新散列下标就等于原散列下标，否则新散列坐标要在原散列坐标的基础上加上原table长度。
HashMap是否线程安全，为什么
JDK1.7中，由于多线程对HashMap的扩容，HashMap采用头插法，新插入的数据会从链表的头节点进行插入。这样在多线程的情况下，容易造成死循环的问题。
JDK1.8中，由于多线程对HashMap进行Put操作。假设两个线程A，B都在进行put操作，并且hash函数计算出的插入下标相同，当线程A由于时间片耗尽被挂起，而线程B得到时间片后在该下标处插入元素，然后线程A获得时间片，由于之前已经进行了hash碰撞的判断，所以不会再进行判断，而是直接进行插入，这就导致线程B插入的数据被线程A覆盖了，从而线程不安全。
HashMap和HashTable的区别
- HashTable线程安全，key和value不能是null，否则会报空指针异常。
- HashMap线程不安全，key和value可以是null
- HashMap初始容量16，扩容直接翻倍
- HashTable初始容量11，扩容翻倍+1
- HashTable直接使用对象的hashCode，HashMap需要重写计算hash值
解决Hash碰撞的方法有哪些？
常见的解决方法有：
- 开发地址法：在发生哈希碰撞时，通过一定的算法在哈希表中寻找一个空闲的位置，并将元素插入到该位置。
- 链表哈希表：在每个哈希表的元素位置上，存储一个链表，哈希碰撞时，将元素插入到相应的链表中。
- 再哈希法：如果一个哈希函数产生的哈希值发生了碰撞，就再次使用另一个哈希函数计算哈希值
ConcurrentHashMap的数据结构
在jdk1.7中，ConcurrentHashMap的数据结构是由Segments数组+HashEntry数组+链表实现的。
在jdk1.8中，选择了和HashMap相同的Node数组+链表+红黑树结构，采用CAS+Synchronized来保证并发安全性。
- ConcurrentHashMap是如何保证线程安全？
ConcurrentHashMap使用分段锁的方式来实现线程安全，它将一个大的哈希表分成多个小的哈希表，每个小的哈希表都有自己的锁。这样，不同的线程可以同时访问不同的小哈希表，从而避免了多个线程同时竞争一个锁的情况，提高了并发性能。 - ConcurrentHashMap的扩容机制是怎么样的？
CurrentHashMap的扩容机制与HashMap类似，它会在已经存放个数达到阈值时进行扩容。扩容的过程中，ConcurrentHashMap会将原来的小哈希表逐一复制到新的大哈希表中，这个过程中仍然可以保证线程安全。扩容后，ConcurrentHashMap会继续使用分段锁的方式来维护新的小哈希表。 - ConcurrentHashMap的get()方法是否需要加锁？
ConcurrentHashMap的get()方法不需要加锁，因为它是线程安全地，并发访问时，ConcurrentHashMap使用了volatile和CAS等机制来保证数据的一致性和可见性。 - ConcurrentHashMap与Hashtable有什么区别？
ConcurrentHashMap和Hashtable都是线程安全的哈希表，但是它们有很大的区别，ConcurrentHashMap使用了分段锁的方式来提高并发性能，而Hashtable使用了一个全局锁来保证线程安全，所以并发性能比ConcurrentHashMap差很多。此外ConcurrentHashMap允许空键和空值，而Hashtable不允许。另外，ConcurrentHashMap支持更多的操作，比如ConcurrentHashMap支持的批量操作和原子操作等，Hashtable不支持。