HashMap底层原理
本文学习自GitHub上的JavaGuide项目，感谢大佬的资源，此处为自我学习与整理，原项目链接 JavaGuide
无论是平时做LeetCode还是准备面试，HashMap都是重点中的重点。所以可以说了解HashMap的底层原理是一个后端程序员的基本入门条件。
JDK1.8以前
在JDK1.8之前，HashMap底层采用数组+链表的数据结构（链表散列）。HashMap通过Key的hashcode经过扰动函数处理得到hash值，然后通过（n-1）&hash判断当前元素存放的位置，（此处n是数组的长度），如果这个位置已经存在元素，判断新加入的元素与其hash值以及Key是否相同，相同直接覆盖原有元素，不相同则使用拉链法解决冲突（从这个位置创建链表）。
扰动函数：扰动函数就是HashMap的hash方法，使用hash方法的目的是为了防止一些实现比较差的HashCode()方法，其实就是为了减少哈希碰撞。
JDK1.8的hash function：
static final int hash(Object key) {
int h;
// key.hashCode():返回散列值也就是hashcode
// ^ :按位异或
// >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补⻬
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
拉链法：当遇到hash冲突时，在数组的位置创建链表，将hash冲突的元素存入链表。
JDK1.8之后
JDK1.8之后，对于HashMap的拉链法进行了改进。当链表长度大于阔值（默认为8，由泊松分布统计而得）时使用红黑树的数据结构来存储，红黑树的优点是搜索的时间复杂度低。
为什么不适用AVL树、BST？
AVL树的层数差最多为1，所以具有更快的查询速度，但是牺牲了插入的速度。相比于AVL树红黑树不是完全的平衡，使得红黑树插入的效率高于AVL树，取舍之下红黑树更胜一筹。
BST在极端情况下会线性化，变成链表。
HashMap的长度为什么是2的n次幂？
hash值的取值范围是int的取值范围，也就是有大概40亿的映射空间，所以只要把hash映射的足够均匀一般是不会有冲突的。但是这么长的数组内存是根本不够用的，所以这个散列值是不能拿来直接用的。在用之前对这个数组的长度进行取模运算，用得来的余数作为对应数组下标。这个数组下标计算方式是(n - 1) & hash。
这个算法的设计思路：
取余操作如果除数是2的幂次方则等价于其除数-1的与操作（&)，也就是说hash%length==(n - 1) & hash的前提是length是2的幂次方，并且采用二进制运算&比%运算效率高，所以length是2的幂次方，这就解释了HashMap的长度为什么是2的n次幂。
HashMap在多线程中遇到的问题
死循环：并发情况下HashMap的Rehash过程可能造成元素之间形成环状链表。1.8之后解决了这个问题，不过还是不建议在多线程中使用HashMap，因为可能存在数据丢失。并发环境下有专门用的ConcurrentHashMap。
ConcurrentHashMap
两者都是用于并发，有什么区别呢？ConcurrentHashMap又是凭借什么优势淘汰了HashTable呢？
两者的区别主要体现在线程安全的实现方式
- 底层数据结构：1.7时ConcurrentHashMap底层使用分段数组+链表实现，1.8和HashMap底层结构相同。
- 实现线程安全的方法：
1.7时ConcurrentHashMap（分段锁）对整个桶数组进行了分割分段（segment)，每一把锁只锁容器中一部分的数据。多线程访问不同的数据区域，就不会产生冲突，也不会产生锁竞争，提高了并发访问率。
1.8以后摒弃了segment，直接使用Node数组+链表+红黑树的底层数据结构，并发控制则使用synchronized和CAS来操作。看起来就像优化的线程安全的HashMap。
HashTable则是使用同一把锁，synchronized关键字保证线程安全，但是效率十分低下。当一个线程访问同步方法时其他线程进入阻塞状态。
图源JavaGuide http://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6842045.html ， HashTable与1.7，1.8版本的ConcurrentHashMap对比：
ConcurrentHashMap线程安全的底层实现原理
-
JDK1.7中采用分段锁（segment），每个线程只能访问不同的段，提高了并发率并且线程安全。
ConcurrentHashMap 是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成的
Segment实现了ReentrantLock，所以Segment是一种可重入锁，扮演锁的角色，HashEntry用来储存键值对。
static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
}
- 一个ConcurrentHashMap中包含一个Segment数组，其结构和HashMap类似，是一种数组+链表的结构，一个Segment包含一个HashEntry数组，每个HashEntry都是一个链表结构的元素，而每个Segment保证了其中HashEntry的线程安全：想要修改HashEntry必须获得对应的Segment的锁。
- JDK1.8中的ConcurrentHashMap取消了Segment分段锁。直接使用synchronized和CAS来保证并发安全。数据结构和HashMap类似：数组+链表+红黑树。synchronized只锁当前链表或者红黑树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发问题，极大的提升了效率。
