Map接口下主要介绍HashMap,TreeMap。HashMap与Hashtable关系跟ArrayList与Vector关系类似。ConcurrentHashMap相比于hashtable做的优化。Hashtable是遗留类，很多常用功能与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。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。
HashMap
首先大家可以可以在脑子里面有个模糊的概念。HashMap大概的结构是怎么样的，又便于之后理解。当然Java7和Java8的内部实现是不一样的。下面先按Java7去分析理解
Java7 - HashMap
//可以看出Entry为单向链表
static class Entry implements Map.Entry {
final int hash;
final K key;
V value;
Entry next;
}
//以下为HashMap的一些成员变量和常量
//内部存储结构，初次使用时创建和后续增长。
transient Node[] table;
// HashMap的大小，它是HashMap保存的键值对的数量
transient int size;
//被修改次数，使用于fail-fast机制
transient int modCount;
// HashMap的阈值，用于判断是否需要调整HashMap的容量（threshold = 容量*加载因子）
int threshold;
// 加载因子实际大小
final float loadFactor; //默认0.75
// 默认的初始容量是16，必须是2的幂。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
// 最大容量（必须是2的幂且小于2的30次方，传入容量过大将被这个值替换）
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认加载因子，0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
由代码可以看出，大方向上，HashMap 里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。
然后我们从最常用的put方法开始，跟踪源码并分析
public V put(K key, V value) {
// 当插入第一个元素的时候，需要先初始化数组大小
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
// 如果 key 为 null，最终会将 entry 放到 table[0] 中
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//开始插入步骤
// 1. 求 key 的 hash 值
int hash = hash(key);
// 2. 找到对应的数组下标
int i = indexFor(hash, table.length);
// 3. 遍历一下对应下标[i]处的链表，看是否有重复的 key 已经存在，
// 如果有，直接覆盖，put 方法返回旧值就结束了
for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
// 4. 不存在重复的 key，将此 entry 添加到链表中
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
由put方法可以看出，可以大致分为三种情况。
- key为null -> 放置于table[0] 中
- hash已存在 -> 在对应下标链表添加/覆盖（覆盖时put方法返回旧值）
- hash未存在 -> 将entry添加到table中（可能会出现resize情况）
我们从put方法一个个节点去分析。首先table == EMPTY_TABLE时的初始化过程。
//若表未初始化过，会调用这个方法去初始化。
private void inflateTable(int toSize) {
// 保证容器为2次幂大小
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
可以看出初始化后的容器大小为2次幂大小且为向上取整。为什么时要2次幂等下会说明。初始化完容器后，会判断entry的key是否为null，为null由putForNullKey放置进容器中。putForNullKey方法会判断在table[0]中是否有key==null，存在则直接替换，不存在通过 addEntry(0, null, value, 0)加入对应entry进table[0]中。所以只允许一个key为null的元素。
//in jdk1.7.0_51
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
这里可以看出容器大小必须为2次幂的原因有两个。
- 保证分布均匀（计算hash时会有格外的扰动，保证均匀）
- 当大小为2次幂时，相对耗时的%操作可以替换成相对效率更高的位运算代替。因为当容量一定是2^n时，h & (length - 1) == h % length
这里可以看到java7的时候HashMap的hash值是经过了4次扰动的。而java8则只经过一次扰动。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//如果当前 HashMap 大小已经达到了阈值，并且新值要插入的数组位置已经有元素了，那么要扩容
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0; //重新计算hash值
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);//重新获取bucketIndex
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
//将新值放到链表的表头，然后 size++
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
可以看到添加元素时，如果当前 HashMap 大小已经达到了阈值，并且新值要插入的数组位置已经有元素了，那么要扩容（为原来2倍，如果没有超过最大值时）。
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//转移对应元素
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
扩容时，将通过transfer方法将原来 table[i] 中的链表的所有节点，分拆到新的数组的 newTable[i] 和 newTable[i + oldLength] 位置上。因为扩容2倍之后indexFor返回值就发生改变了，假设原本15%15==0现在则时15%31==15了。
这样子put方法分析完，get方法就简单了。
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//计算hash值
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
getForNullKey()方法直接在table[0]中链表判断key值是否存在，就不展开了。
getEntry()方法耶比较简单，大概分为三步：
- 根据 key通过hash()计算 hash 值。
- 通过indexFor()找到相应的数组下标：hash & (length – 1)。
- 遍历该数组位置处的链表，直到找到相等(==或equals)的 key。
Java8 HashMap
java8后，HashMap进行了优化。引入了红黑树的结构。当链表长度大于8之后，链表将转化为红黑树，减低查询时间复杂度O(logn)。
我们还是从put方法开始
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
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;
//与java7一样，第一次进行初始化。
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//对应下标[ (n - 1) & hash]无值则直接插入
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node e; K k;
//第一个节点key值与插入key"一致"，取出该值，直接覆盖
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode) //为红黑树，通过红黑树操作设值（不展开）
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else { //为链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) { //插到链表最后
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//链表长度大于8转换为红黑树进行处理
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//找到"一致"的key则直接取出，直接覆盖
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 根据onlyIfAbsent判断是否直接覆盖。oldValue == null直接覆盖
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 如果 HashMap 由于新插入这个值导致 size 已经超过了阈值，需要进行扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
在hash(Object key)方法在java8中进行了优化，仅进行了一次扰动，而java7进行了4次扰动。在美团技术团队就做了比较好的分析。java8虽然只是一次扰动，但是将高位与低位相对随机的混淆，保证了在table较小时，高位bit也能参与到低位运算中去。
与put方法对比，java7中为先判断是否需要扩容在添加，而java8为先插入再判断是否需要扩容。
在java7中，因为插入在扩容之后，插入前table中元素已经按扩容后的位置排序，所以插入时按新的IndexFor()插入即可。
//in java8
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) {//容量超过最大值则不再扩容
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}// 容量未超过最大值，则容量及阈值翻倍
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) {//计算新的阈值
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;// 赋值新的数组，初始化则将直接返回 newTab
if (oldTab != null) {
//将每个bucket迁移到新的buckets
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null) // 单个元素直接迁移
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode) //为红黑树，进行红黑树处理
((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order 处理链表情况
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;
}
可以看到resize还是将容量直接翻倍，但是翻倍后对原数据处理不一样了。
先看链表处理，这里将旧链表分为lo链表(原位置链表)和hi链表（原位置+oldCap链表），原数据应该放置于那个链表由(e.hash & oldCap) == 0决定。(e.hash & oldCap) == 0是等价于原index，而(e.hash & oldCap) == 1则等价于原index+oldCap。因为oldCap为2次幂，所以oldCap可以作为一个掩码。可以参考java8对Hashmap的改进
红黑树处理这里就不说了。。。比较看不懂。。挖坑，找个时间理解下红黑树相关操作再补充