public class MyThreadTest {
private final static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);// 设置2个车位
public static void main(String[] args) {
System.out.println("start");
p(semaphore, true, 1);
p(semaphore, false, 2);
p(semaphore, false, 3);
p(semaphore, true, 4);
p(semaphore, true, 5);
System.out.println("end");
}
/**
* 停车
*
* @param semaphore 信号对象
* @param enterInto 停车true/出库false
* @param theCarNum 车辆序号
*/
private static void p(Semaphore semaphore, boolean enterInto, int theCarNum) {
if (!enterInto) {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("车辆出库");
// 释放1个车位
// 通过LockSupport.unpark(s.thread)来释放锁，详见AbstractOwnableSynchronizer.unparkSuccessor
semaphore.release(1);
}
try {
// 如果达到设定的信号量，通过LockSupport.park(this)来释放锁，详见AbstractOwnableSynchronizer.parkAndCheckInterrupt
semaphore.acquire();
System.out.println("第 " + theCarNum + " 辆车进入");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* Semaphore中Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer
* 改变AbstractOwnableSynchronizer中state值（该值记录着剩余信号量）
*
* AbstractOwnableSynchronizer加载时会调用静态代码块获取state的偏移地址：
* stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
* 上述获取对象某个变量的效率比使用反射获取的效率高
*
* protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
* // stateOffset为state变量的偏移地址
* return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
* }
*/
}
同样地，HashSet 也是 Java Collection Framework 的重要成员，是 Set 接口的常用实现类，但其与 HashMap 有很多相似之处。对于 HashSet 而言，其采用 Hash 算法决定元素在Set中的存储位置，这样可以保证元素的快速存取；对于 HashMap 而言，其将 key-value 当成一个整体(Entry 对象)来处理，其也采用同样的 Hash 算法去决定 key-value 的存储位置从而保证键值对的快速存取。虽然 HashMap 和 HashSet 实现的接口规范不同，但是它们底层的 Hash 存储机制完全相同。实际上，HashSet 本身就是在 HashMap 的基础上实现的。因此，通过对 HashMap 的数据结构、实现原理、源码实现三个方面了解，我们不但可以进一步掌握其底层的 Hash 存储机制，也有助于对 HashSet 的了解。
必须指出的是，虽然容器号称存储的是 Java 对象，但实际上并不会真正将 Java 对象放入容器中，只是在容器中保留这些对象的引用。也就是说，Java 容器实际上包含的是引用变量，而这些引用变量指向了我们要实际保存的 Java 对象。
二. HashMap 在 JDK 中的定义
HashMap实现了Map接口，并继承 AbstractMap 抽象类，其中 Map 接口定义了键值映射规则。和 AbstractCollection抽象类在 Collection 族的作用类似， AbstractMap 抽象类提供了 Map 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现Map接口所需的工作。HashMap 在JDK中的定义为：
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{
...
}
三. HashMap 的构造函数
HashMap 一共提供了四个构造函数，其中 默认无参的构造函数 和 参数为Map的构造函数 为 Java Collection Framework 规范的推荐实现，其余两个构造函数则是 HashMap 专门提供的。
1、HashMap()
该构造函数意在构造一个具有> 默认初始容量 (16) 和 默认负载因子(0.75) 的空 HashMap，是 Java Collection Framework 规范推荐提供的，其源码如下：
/**
* Constructs an empty HashMap with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
//负载因子:用于衡量的是一个散列表的空间的使用程度
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//HashMap进行扩容的阈值，它的值等于 HashMap 的容量乘以负载因子
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
// HashMap的底层实现仍是数组，只是数组的每一项都是一条链
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}
2、HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
该构造函数意在构造一个 指定初始容量 和 指定负载因子的空 HashMap，其源码如下：
/**
* Constructs an empty HashMap with the specified initial capacity and load factor.
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//初始容量不能小于 0
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
//初始容量不能超过 2^30
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//负载因子不能小于 0
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// HashMap 的容量必须是2的幂次方，超过 initialCapacity 的最小 2^n
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
//负载因子
this.loadFactor = loadFactor;
//设置HashMap的容量极限，当HashMap的容量达到该极限时就会进行自动扩容操作
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
// HashMap的底层实现仍是数组，只是数组的每一项都是一条链
table = new Entry[capacity];
init();
}
3、HashMap(int initialCapacity)
该构造函数意在构造一个指定初始容量和默认负载因子 (0.75)的空 HashMap，其源码如下：
// Constructs an empty HashMap with the specified initial capacity and the default load factor (0.75)
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); // 直接调用上述构造函数
}
4、HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)
该构造函数意在构造一个与指定 Map 具有相同映射的 HashMap，其 初始容量不小于 16 (具体依赖于指定Map的大小)，负载因子是 0.75，是 Java Collection Framework 规范推荐提供的，其源码如下：
// Constructs a new HashMap with the same mappings as the specified Map.
// The HashMap is created with default load factor (0.75) and an initial capacity
// sufficient to hold the mappings in the specified Map.
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
// 初始容量不小于 16
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
putAllForCreate(m);
}
在这里，我们提到了两个非常重要的参数：初始容量 和 负载因子，这两个参数是影响HashMap性能的重要参数。其中，容量表示哈希表中桶的数量 (table 数组的大小)，初始容量是创建哈希表时桶的数量；负载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。
对于使用 拉链法（下文会提到）的哈希表来说，查找一个元素的平均时间是 O(1+a)，a 指的是链的长度，是一个常数。特别地，若负载因子越大，那么对空间的利用更充分，但查找效率的也就越低；若负载因子越小，那么哈希表的数据将越稀疏，对空间造成的浪费也就越严重。系统默认负载因子为 0.75，这是时间和空间成本上一种折衷，一般情况下我们是无需修改的。
四. HashMap 的数据结构
1、哈希的相关概念
Hash 就是把任意长度的输入(又叫做预映射， pre-image)，通过哈希算法，变换成固定长度的输出(通常是整型)，该输出就是哈希值。这种转换是一种 压缩映射 ，也就是说，散列值的空间通常远小于输入的空间。不同的输入可能会散列成相同的输出，从而不可能从散列值来唯一的确定输入值。简单的说，就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的息摘要函数。
2、哈希的应用：数据结构
我们知道，数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；而链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入和删除也容易的数据结构呢？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表。事实上，哈希表有多种不同的实现方法，我们接下来解释的是最经典的一种方法 —— 拉链法，我们可以将其理解为 链表的数组，如下图所示：
我们可以从上图看到，左边很明显是个数组，数组的每个成员是一个链表。该数据结构所容纳的所有元素均包含一个指针，用于元素间的链接。我们根据元素的自身特征把元素分配到不同的链表中去，反过来我们也正是通过这些特征找到正确的链表，再从链表中找出正确的元素。其中，根据元素特征计算元素数组下标的方法就是 哈希算法。
总的来说，哈希表适合用作快速查找、删除的基本数据结构，通常需要总数据量可以放入内存。在使用哈希表时，有以下几个关键点：
hash 函数（哈希算法）的选择：针对不同的对象(字符串、整数等)具体的哈希方法；
碰撞处理：常用的有两种方式，一种是open hashing，即 >拉链法；另一种就是 closed hashing，即开地址法(opened addressing)。
更多关于哈希(Hash)的介绍，请移步我的博文《Java 中的 ==, equals 与 hashCode 的区别与联系》。
3、HashMap 的数据结构
我们知道，在Java中最常用的两种结构是 数组 和 链表，几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现，HashMap 就是这种应用的一个典型。实际上，HashMap 就是一个 链表数组，如下是它数据结构：
从上图中，我们可以形象地看出HashMap底层实现还是数组，只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity 就代表了该数组的长度，也就是桶的个数。在第三节我们已经了解了HashMap 的默认构造函数的源码：
/**
* Constructs an empty HashMap with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
//负载因子:用于衡量的是一个散列表的空间的使用程度
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//HashMap进行扩容的阈值，它的值等于 HashMap 的容量乘以负载因子
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
// HashMap的底层实现仍是数组，只是数组的每一项都是一条链
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}
从上述源码中我们可以看出，每次新建一个HashMap时，都会初始化一个Entry类型的table数组，其中 Entry类型的定义如下：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key; // 键值对的键
V value; // 键值对的值
Entry<K,V> next; // 下一个节点
final int hash; // hash(key.hashCode())方法的返回值
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { // Entry 的构造函数
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
下面我们结合JDK源码看HashMap 的存取实现。
1、HashMap 的存储实现
在 HashMap 中，键值对的存储是通过 put(key,vlaue) 方法来实现的，其源码如下：
/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with key, or null if there was no mapping for key.
* Note that a null return can also indicate that the map previously associated null with key.
*/
public V put(K key, V value) {
//当key为null时，调用putForNullKey方法，并将该键值对保存到table的第一个位置
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//根据key的hashCode计算hash值
int hash = hash(key.hashCode()); // ------- (1)
//计算该键值对在数组中的存储位置（哪个桶）
int i = indexFor(hash, table.length); // ------- (2)
//在table的第i个桶上进行迭代，寻找 key 保存的位置
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { // ------- (3)
Object k;
//判断该条链上是否存在hash值相同且key值相等的映射，若存在，则直接覆盖 value，并返回旧value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue; // 返回旧值
}
}
modCount++; //修改次数增加1，快速失败机制
//原HashMap中无该映射，将该添加至该链的链头
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
通过上述源码我们可以清楚了解到HashMap保存数据的过程。首先，判断key是否为null，若为null，则直接调用putForNullKey方法；若不为空，则先计算key的hash值，然后根据hash值搜索在table数组中的索引位置，如果table数组在该位置处有元素，则查找是否存在相同的key，若存在则覆盖原来key的value，否则将该元素保存在链头（最先保存的元素放在链尾）。此外，若table在该处没有元素，则直接保存。这个过程看似比较简单，但其实有很多需要回味的地方，下面我们一一来看。
先看源码中的 (3) 处，此处迭代原因就是为了防止存在相同的key值。如果发现两个hash值（key）相同时，HashMap的处理方式是用新value替换旧value，这里并没有处理key，这正好解释了 HashMap 中没有两个相同的 key。
1). 对NULL键的特别处理：putForNullKey()
我们直接看其源码：
/**
* Offloaded version of put for null keys
*/
private V putForNullKey(V value) {
// 若key==null，则将其放入table的第一个桶，即 table[0]
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) { // 若已经存在key为null的键，则替换其值，并返回旧值
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++; // 快速失败
addEntry(0, null, value, 0); // 否则，将其添加到 table[0] 的桶中
return null;
}
通过上述源码我们可以清楚知到，HashMap 中可以保存键为NULL的键值对，且该键值对是唯一的。若再次向其中添加键为NULL的键值对，将覆盖其原值。此外，如果HashMap中存在键为NULL的键值对，那么一定在第一个桶中。
2). HashMap 中的哈希策略（算法）
在上述的 put(key,vlaue) 方法的源码中，我们标出了 HashMap 中的哈希策略（即(1)、(2)两处），hash() 方法用于对Key的hashCode进行重新计算，而 indexFor() 方法用于生成这个Entry对象的插入位置。当计算出来的hash值与hashMap的(length-1)做了&运算后，会得到位于区间[0，length-1]的一个值。特别地，这个值分布的越均匀， HashMap 的空间利用率也就越高，存取效率也就越好。
我们首先看(1)处的 hash() 方法，该方法为一个纯粹的数学计算，用于进一步计算key的hash值，源码如下：
/**
* Applies a supplemental hash function to a given hashCode, which
* defends against poor quality hash functions. This is critical
* because HashMap uses power-of-two length hash tables, that
* otherwise encounter collisions for hashCodes that do not differ
* in lower bits.
*
* Note: Null keys always map to hash 0, thus index 0.
*/
static int hash(int h) {
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
正如JDK官方对该方法的描述那样，使用hash()方法对一个对象的hashCode进行重新计算是为了防止质量低下的hashCode()函数实现。由于hashMap的支撑数组长度总是 2 的幂次，通过右移可以使低位的数据尽量的不同，从而使hash值的分布尽量均匀。更多关于该 hash(int h)方法的介绍请见《HashMap hash方法分析》，此不赘述。
通过上述hash()方法计算得到 Key 的 hash值 后，怎么才能保证元素均匀分布到table的每个桶中呢？我们会想到取模，但是由于取模的效率较低，HashMap 是通过调用(2)处的indexFor()方法处理的，其不但简单而且效率很高，对应源码如下所示：
/**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1); // 作用等价于取模运算，但这种方式效率更高
}
我们知道，HashMap的底层数组长度总是2的n次方。当length为2的n次方时，h&(length - 1)就相当于对length取模，而且速度比直接取模要快得多，这是HashMap在速度上的一个优化。至于HashMap的底层数组长度为什么是2的n次方，下一节将给出解释。
总而言之，上述的hash()方法和indexFor()方法的作用只有一个：保证元素均匀分布到table的每个桶中以便充分利用空间。
3). HashMap 中键值对的添加：addEntry()
我们直接看其源码：
/**
* Adds a new entry with the specified key, value and ha