HashMap、HashTable和HashSet

常见的数据结构有数组结构、链表结构、哈希表结构。

1. 数组结构：存储区间连续，内存占用严重、空间复杂度大
   优点：随机读取和修改效率高，原因是数组内存空间连续，所以随机访问性强、查找速度快
   缺点：插入和删除的效率低，因插入数据，这个位置后面的数据在内存中后需要往后移动；删除数据，这个位置后面的数据在内存中都需要向前移动，且大小固定不宜动态拓展。
2. 链表结构：存储区间离散、占用内存宽松、空间复杂度小
   优点：插入删除速度快，内存利用率高，没有固定大小，扩展灵活
   缺点：不能随机查找，每次查找都需要从第一个数据开始遍历，查找效率低
3. 哈希表结构：结合了数据结构和链表结构的一种数据结构，从而实现了查找效率高效的同时，修改数据也很高效。

HashMap：

HashMap简介：HashMap是基于哈希表实现的，每个元素都是一个key-value对，其内部通过单链表解决冲突，内存不足(超越了阈值)时，可以自动增长。

HashMap特点：

1. HashMap时非线性安全的，只适用于单线程环境下，多线程环境下可以采用concurrent并发包下的concurrentHashMap
2. HashMap实现了Serializable接口，支持序列化，实现了Cloneable接口，能被克隆。继承自AbstractMap类。
3. HashMap内部维护了一个存储数据的Entry数组，数组默认是16位，采用链表解决冲突，每一个Entry本质上是个单向链表。
4. HashMap中的key和value允许为null，key为nul的键值对永远放在以table[0]为头节点的链表中。
5. 删增是在链表上完成的，而查询只需扫描部分
6. 查找 HashMap集合的key，会先后调用两个方法，HashCode和Equal方法，这两个方法都需要重写。

HashMap中put()和get()的实现原理：

1. map.put(key , value)实现原理：
   a. 首先将key、value封装到Node对象中；
   b. 底层调用hashCode()方法得出哈希值，然后通过哈希算法转化为数组的下标；
   c. 如果下标位置上没有任何元素，就将Node添加到这个位置上。如果下标位置上有链表，则将key与该链表中的所有节点的key进行equal，如果equal都返回false，就将新节点议案加到链表的末尾，如果有一个节点equal返回了true，就用value覆盖掉这个节点上的value
2. map.get(key)的实现原理
   a. 先调用HashCode(key)方法获得哈希值，并用哈希算法转化为数组的下标
   b. 如果数组下标位置上什么也没有，则返回null；如果有链表，则拿着key与链表中的节点中的key进行equal，如果equal都返回false，则返回null，如果有一个节点的equal返回true，则返回这个节点的value值。

扩容机制：

提到扩容机制需要先明白几个变量：

size：记录HashMap的底层数组中已用的槽的数量；
threshold：HashMap的阈值，用于判断是否需要调整HashMap的容量，计算方式为threshold = 容量 * 加载因子
加载因子：表示哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，如果加载很大，对空间的利用更充分，但是查找效率会降低；如果加载因子太小。那么表中的很多空间还没有使用就开始扩容了，对空间造成浪费。默认值为0.75。
容量：表示哈希表中槽的数量，即哈希表的长度，初始容量是创建哈希表的容量，如果不指明初始容量，则默认为16。
特别注意：无论我们指定容量为多少，构造方法都会将实际容量设为不小于指定容量的2的次方的一个数，且最大值不能超过2的30次方。

扩容时间：当size大于threshold的时候进行扩容。

扩容过程：
扩容是新建了一个HsahMap的底层数组，然后调用transfer方法，将HashMap的全部元素添加到新的HashMap中，同时重新计算元素在新的数组中的索引位置。很明显，扩容是非常耗时的操作。
HashMap共有四个构造方法，构造方法中提到了两个很重要的参数：初始容量和加载因子，这两个参数是影响HashMap性能的重要参数。

HashMap红黑树：

什么是HashMap红黑树？
将HashMap表中的单一链表长度过长时，此时修改或者查找HashMap中的数据就会非常耗时，时间效率为O(n)，即将所有数据遍历一边，效率降低；为了能够恢复HashMap快速查找和修改数据的优点，将单一链表用红黑树进行替换，此时的时间效率会缩减到O(logn)，效率不会因为链表长度过长而导致效率降低。
什么时候采用HashMap红黑树，什么时候采用HashMap？
当HashMap表中的单一链表长度大于8时，链表结构就会转化为红黑树结构；当单一链表长度小于6的时候，又会由红黑树结构转化为链表结构。

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HashTable

HashTable的数据结构跟HashMap相同，此处主要讲解HashTable与HashMap之间的区别。

1. 继承的父类不同：
   HashMap继承自AbstractMap类，
   HashTable继承自Dictionary类，Dictionary类是是一个已经被废弃的类，父类都已经被废弃了，子类HashTable自然就很少有人使用；
   但是两者都实现了Map接口，支持序列化和克隆。
2. HashMap线程不安全，只能在单线程中使用；
   HashTable对数据的读写等操作提供了锁保护，所以线程是安全的，支持多线程中使用；
   HashMap的迭代器是fail-fast迭代器，故当有其他线程改变HashMap结构时，将会抛出异常；而HashTable不是fail-fast迭代器。
3. 包含的contains方法不同：
   HashMap没有contains方法，但包括containsValue和containsKey方法；
   HashTable保留了contains方法，与containsValue效果一样，同时也提供了containsKey和containsValue方法。
4. 是否允许null值：
   HashMap允许key和value为null值，当key为null值时，但为空的键值对必须放置在table[0]为头节点的链表中。
   HashTable键值对都不能为空。否则报出指针异常的错误。
5. 计算Hash值和数组下标索引方法不同：
   HashMap计算Hash值的方法为先调用HashCode方法计算出来一个Hash值，再将Hash与右移16位后相异或，从而得到新的Hash值；
   HashTable通过计算key的HashCode()得到的Hash值就是最终Hash值。
   HashMap求Hash值对应的位置索引时，index = (n - 1) & hash，将哈希表的大小
   固定为2的幂，因为是取模得到索引值，故这样子取模时，不需要做除法；
   HashTable取位置索引：int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % table.length， &0x7FFFFFFF是为了将负的Hash值转化为正值，因为Hash值可能为负数。
6. 扩容方式不同：
   HashMap哈希扩容必须要求为原容量的2倍，而且一定是2的幂次倍扩容结果；
   HashTable扩容为原容量的2倍加一。
7. 解决Hash冲突方法不同：
   采用链地址法解决Hash冲突：将所有关键字为同义词的记录存储在同一个线性表中。即Hash出来的哈希地址不存储key值，而出存储一个key的链表，当发生冲突时，将同义的key加入链表。
   HashMap会在冲突数量大于8时，将链式结构换为红黑树结构，当冲突数量小于6的时候，再将红黑树结构换位链式结构；
   HashTable一直使用链式结构。
8. 内存初始值大小不同：
   HashMap初始大小为16，HashTable初始大小为11.

HashSet

底层原理：HashSet底层完全就是在HashMap的基础上包了一层，只不过存储的时候value默认存储了一个object类型的静态常量，取的时候也是只返回key，看起来像是List一样。HashSet的四个构造方法都是初始化一个HashMap，初始容量、装填因子Add()、Remove()、contains()方法都是直接调用HashMap的实现。

需要重写HashCode() 和 Equals() ，需要这两个方法确保存储的值没有相等。Equals默认比较的是两个对象的内存地址。

HashMap与HashSet的区别：

1. HashMap实现了Map接口，HashSet实现了Set接口；
2. HashMap存储键值对，HashSet仅存储对象；
3. HashMap调用put()向map中添加元素，HashSet调用add()向set中添加元素；
4. HashMap使用key计算HashCode，HashSet使用成员对象计算HashCode值，对于两个对象来说HashCode值可能相同，所以需要equals方法判断对象的相等性。
5. HashMap相对于HashSet较快，因为它是使用唯一的键获取对象。