循序渐进探索HashMap与ConcurrentHashMap

本文通过探索HashMap的使用和存在的问题，循序渐进的探索和引入各种原理和编程思路。主要内容包括：

探索HashMap
- 什么是HashMap
- HashMap如何扩容
- 为什么HashMap的初始化容量默认为16
- 负载因子为什么是0.75
- hash方法的具体实现
- LinkedHashMap实现LRU缓存
- HashMap存在的问题及解决办法
探索ConcurrentHashMap
- 分段锁
- CAS+Synchronized
- 初始化构造原理

探索HashMap

1、【什么是HashMap】
- 数据结构：HashMap是一个数组加链表的数据结构（链地址法）。
- 使用：加入数据首先经过hash，放入计算出的位置，如果该位置有值，即发生hash冲突，一般hash冲突有四种处理方式：
  - 链地址法：该地址存放的是一个链表，直接在链表尾端加入数据即可。
  - 开放定址法：顺延下一个不冲突的地址。
  - rehash：使用另一种hash算法
  - 建立公共溢出区：将哈希表分为基本表和溢出表两部分，凡是和基本表发生冲突的元素，一律填入溢出表。
2、【HashMap如何扩容】
- HashMap里面有数组，数组上挂的是链表，数组有个设定值，链表也有个扩容长度，当链表长度大于8，进一步判断数组长度，
- 数组长度小于设定值MIN_TREEIFY_CAPACITY（64），只是对数组进行扩容，把已存数据进行再次hash处理。
  - 每次扩容，数组长度增加一倍。
  - 如果预先知道要存储1000个数，设置多大的 HashMap比较合理：1000<0.75x，求出x是1334，new HashMap(1334)，自动会把存储大小改成大于1334的最小2的次方：2048。
- 数组长度超过64时，将链表转换成红黑树。
- 参考：HashMap中的链表什么时候转化为红黑树
2.1、【为什么HashMap的初始化容量默认为16】
- 为什么可以使用位运算(&)来实现取模运算(%)呢？这实现的原理如下：
  - X % 2^n = X & (2^n – 1)
- 选16是经验值
- 如何找到比传入值大的最小2的次方：数学问题，不会。

// 找到第一个大于等于initialCapacity的2的平方的数
int capacity = 1; 
while (capacity < initialCapacity)
       capacity <<= 1;

2.2、【负载因子为什么是0.75】
- 因为综合考虑时间复杂度和空间复杂度，折中选择0.75.
2.3、【hash方法的具体实现】

static int indexFor(int h, int length) {
    
    
     return h & (length - 1);
}

为什么是length - 1
- 因为length一般是2的次方，会导致奇数位的数据hash不到。
3、【LinkedHashMap实现LRU缓存】
- LinkedHashMap支持两种顺序插入顺序、访问顺序
  - 插入顺序：先添加的在前面，后添加的在后面。修改操作不影响顺序
  - 访问顺序：所谓访问指的是get/put操作，对一个键执行get/put操作后，其对应的键值对会移动到链表末尾，所以最末尾的是最近访问的，最开始的是最久没有被访问的，这就是访问顺序。
  - 参考： LinkedHashMap基本用法&使用实现简单缓存
4、【多线程情况下HashMap存在的问题及解决办法】
- 4.1、存在的问题：多线程环境下，
  - （1）多线程操作HashMap会引起脏数据。
  - （2）使用Hashmap进行put操作可能会引起死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使用HashMap。JDK1.8前多线程并发下HashMap会发生死循环
- 4.2、解决办法
  - 使用Hashtable，使用synchronized来保证线程安全。
  - 但是使用HashTable会引起效率问题，同一把锁效率太低。
  - 于是引入ConcurrentHashMap，在jdk1.8之前使用分段锁，不同的segment是不同的锁，但是即使这样仍然会减小效率。
  - 在jdk1.8之后，ConcurrentHashMap引入了无锁模式。

探究ConcurrentHashMap

分段锁(1.8以前)
- ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁ReentrantLock
CAS+Synchronized（1.8）
初始化构造原理

//返回一个大于输入参数且最小的为2的n次幂的数。
private static final int tableSizeFor(int c) {
    
    
        int n = c - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
//tableSizeFor(int c)的原理：
//将c最高位以下通过|=运算全部变成1，最后返回的时候，返回n+1；

循序渐进探索HashMap与ConcurrentHashMap

探索HashMap

探究ConcurrentHashMap

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