- HashCode()
- HashMap 底层实现
- HashMap 的长度为什么默认初始长度是16，并且每次resize()的时候，长度必须是2的幂次方？
- HashMap 死链问题
- Java 8 与 Java 7对比
- 为什么要使用红黑树？
- 说说hashmap如何处理碰撞的，或者说说它的扩容？
一，简介
（1）桶（capacity）容量，即数组长度：DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=1<<4；默认值为16，即在不提供有参构造的时候，声明的hashmap的桶容量；
（2）MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
极限容量，表示hashmap能承受的最大桶容量为2的30次方，超过这个容量将不再扩容，让hash碰撞起来吧！
（3）static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
负载因子（loadfactor，默认0.75），负载因子有个奇特的效果，表示当当前容量大于（size/）时，将进行hashmap的扩容，扩容一般为扩容为原来的两倍。
（4）int threshold;阈值（yu）
阈值算法为capacity*loadfactory，大致当map中entry数量大于此阈值时进行扩容（1.8）
（5）transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;（默认为空{}）
核心的数据结构，即所谓的数组+链表的部分。
（1）hashmap的数据结构是什么样子的？自己如何实现一个hashmap？
主要数据结构即为数组+链表。
在hashmap中的主要表现形式为一个table，类型为Entry<K,V>[] table 首先是一个Entry型的数组，Entry为hashmap的内部类：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; int hash; }
在这里可以看到，在Entry类中存在next，所以，它又是链表的形式。 这就是hashmap的主要数据结构。
（2）hash的计算规则，这又要看源码了：
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
这是1.8的源码，1.7太复杂但原理是一致的，简单说这就是个“扰动函数”，最终的目的是让散列分布地更加均匀。
算法就是拿存储key的hashcode值先右移16位，再与hashcode值进行异或操作，即不求进位只求按位相加的值：
最后是如何获得，本key在table中的位置呢？本身应该是取得了hash进行取模除取余运算，但是，源码：
1 static int indexFor(int h, int length) { 2 // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2"; 3 return h & (length-1); 4 }
为什么又做了个与运算求得位置呢？简单说，它的意义和取余一致。
不信可以自己算一下。
首先说，他利用了table的长度肯定是2的整数次幂的原理，假设当前length为16，2的4次方
而与&运算，又是只求进位运算，比如1111&110001结果为000001
只求进位运算（&），保证算出的结果一定在table的length之内，最大为1111。
故而，它的运算结果与价值等同于取余运算，并且即使不管hash值有多大都可以算出结果，并且在length之内。
并且，这种类型的运算，能够更加的节约计算机资源，少了加（计算机所有运算都是加运行）运算过程，更加地节省资源。
4、hashmap的存取过程
/** *往hashmap中放数据 */ public V put(K key, V value) { if (table == EMPTY_TABLE) { inflateTable(threshold);//判断如果为空table，先对table进行构造 //构造通过前面的几个参数 } //首先判断key是否为null，为null也可以存 //这里需要记住，null的key一定放在table的0号位置 if (key == null) return putForNullKey(value); //算出key的hash值 int hash = hash(key); //根据hash值算出在table中的位置 int i = indexFor(hash, table.length); //放入K\V，遍历链表,如果位置上存在相同key，进行替换value为新的，且将替换的旧的value返回 for (Entry<K,V> 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++; //增加一个entry，有两种情况，1、如果此位置存在entry，将此位置变为插入的entry，且将插入entry的next节点变为原来的entry；2、如果此位置不存在entry则直接插入新的entry addEntry(hash, key, value, i); return null; }
取数据：
//根据key获得一个entry public V get(Object key) { //如果key为null，获取0号位的切key为null的值 if (key == null) return getForNullKey(); //如果不是，获取entry，在下面方法 Entry<K,V> entry = getEntry(key); //合法性判断 return null == entry ? null : entry.getValue(); } //获取一个key不为null的entry final Entry<K,V> getEntry(Object key) { //如果table为null，则返回null if (size == 0) { return null; } //计算hash值 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); //根据hash值获得table的下标，遍历链表，寻找key，找到则返回 for (Entry<K,V> 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; }
5.扩容和碰撞
先说碰撞吧，由于hashmap在存值的时候并不是直接使用的key的hashcode，而是通过扰动函数算出了一个新的hash值，这个计算出的hash值可以明显的减少碰撞。
还有一种解决碰撞的方式就是扩容，扩容其实很好理解，就是将原来桶的容量扩为原来的两倍。这样争取散列的均匀，比如：
原来桶的长度为16,hash值为1和17的entry将会都在桶的0号位上，这样就出现了碰撞，而当桶扩容为原来的2倍时，hash值为1和17的entry分别在1和17号位上，整号岔开了碰撞。
（1）在Object 类中，hashCode()方法是一个被native修饰的类，Java Doc中描述的是返回该对象的哈希值。
那么哈希值这个返回值是有什么作用呢？
主要是保证基于散列的集合，如HashSet、HashMap以及HashTable等，在插入元素时保证元素不可重复，同时为了提高元素的插入删除便利效率而设计；主要是为了查找的便捷性而存在。
拿Set进行举例，
问题：众所周知，Set集合是不能重复，如果每次添加数据都拿新元素去和集合内部元素进行逐一地equal()比较，那么插入十万条数据的效率可以说是非常低的。
方案：所以在添加数据的时候就出现了哈希表的应用，哈希算法也称之为散列算法，当添加一个值的时候，先去计算出它的哈希值，根据算出的哈希值将数据插入指定位置。这样的话就避免了一直去使用equal()比较的效率问题。
具体表现在：
- 如果指定位置为空，则直接添加
- 如果指定位置不为空，调用equal() 判断两个元素是否相同，如果相同则不存储
上述第二种情况中，如果两个元素不相同，但是hashCode()相同，那就是发生了我们所谓的哈希碰撞。
哈希碰撞的概率取决于hashCode()计算方式和空间容量的大小。
HashMap为什么要用链表？：这种情况下，会在相同的位置，创建一个链表，把key值相同的元素存放到链表中。
在HashMap中就是使用拉链法来解决hashCode冲突。
解决hash冲突的办法之一：拉链法
小总结：
hashCode是一个对象的标识，Java中对象的hashCode是一个int类型值。通过hashCode来指定数组的索引可以快速定位到要找的对象在数组中的位置，之后再遍历链表找到对应值，理想情况下时间复杂度为O(1)，并且不同对象可以拥有相同的hashCode。
基本面试题：
-
HashMap 基于哈希表的Map接口实现的，是以Key-Value存储形式存在；
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非线程安全；
-
key value都可以为null；
-
HashMap中的映射不是有序的；
-
在 JDK1.8 中，HashMap 是由 数组+链表+红黑树构成，新增了红黑树作为底层数据结构；
-
当一个哈希桶存储的链表长度大于8 会将链表转换成红黑树，小于6时则从红黑树转换成链表；
（1）存储结构
在 JDK1.8 中，HashMap 是由 数组+链表+红黑树构成，新增了红黑树作为底层数据结构。
通过哈希来确认到数组的位置，如果发生哈希碰撞就以链表的形式存储 ，但是这样如果链表过长来的话，HashMap会把这个链表转换成红黑树来存储，阈值为8。
下面是HashMap的结构图：
（2）重要属性
2.1 table
/** * The table, initialized on first use, and resized as * necessary. When allocated, length is always a power of two. * (We also tolerate length zero in some operations to allow * bootstrapping mechanics that are currently not needed.) */ transient Node<K,V>[] table;
在JDK1.8中我们了解到HashMap是由数组加链表加红黑树来组成的结构其中table就是HashMap中的数组。
2.2 size
/** * The number of key-value mappings contained in this map. */ transient int size;
HashMap中 键值对存储数量。
2.3 loadFactor
/** * The load factor for the hash table. * * @serial */ final float loadFactor;
负载因子。负载因子是权衡资源利用率与分配空间的系数。当元素总量(threshold) > 数组长度 * 负载因子时会进行扩容操作。
2.4 threshold
/** * The next size value at which to resize (capacity * load factor). * * @serial */ // (The javadoc description is true upon serialization. // Additionally, if the table array has not been allocated, this // field holds the initial array capacity, or zero signifying // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.) int threshold;
扩容阈值。threshold = 数组长度 * 负载因子。超过后执行扩容操作。
2.5 TREEIFY_THRESHOLD/UNTREEIFY_THRESHOLD____treeify_threshold/untreeify_threshold
/** * The bin count threshold for using a tree rather than list for a * bin. Bins are converted to trees when adding an element to a * bin with at least this many nodes. The value must be greater * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in * tree removal about conversion back to plain bins upon * shrinkage. */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal. */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
树形化阈值。当一个哈希桶存储的链表长度大于8 会将链表转换成红黑树，小于6时则从红黑树转换成链表。
3. 增加元素
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); }
3.1 hash()
可以看到实际执行添加元素的是putVal()操作，在执行putVal()之前，先是对key执行了hash()方法，让我们看下里面做了什么
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补齐 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
key==null说明，HashMap中是支持key为null的情况的。
同样的方法在Hashstable中是直接用key来获取hashCode，没有key==null的判断，所以Hashstable是不支持key为null的。
再回来说这个hash()方法。这个方法用专业术语来称呼就叫做扰动函数。
使用hash()也就是扰动函数，是为了防止一些实现比较差的hashCode()方法。换句话来说，就是为了减少哈希碰撞。
JDK 1.8 的 hash方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。我们再看下JDK1.7中是怎么做的。
// code in JDK1.7 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); }
相比于 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。
3.2 putVal()
再来看真正执行增加元素操作的putVal()方法
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; // 当数组为空或长度为0，初始化数组容量（resize() 方法是初始化或者扩容用的） if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // 计算数组下标 i = (n-1) & hash // 如果这个位置没有元素，则直接创建Node并存值 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { // 这个位置已有元素 Node<K,V> e; K k; if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // hash值、key值相等，用e变量获取到当前位置这个元素的引用，后面用于替换已有的值 e = p; else if (p instanceof TreeNode) // 当前是以红黑树方式存储，执行其特有的putVal方法 -- putTreeVal e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { // 当前是以链表方式存储，开始遍历链表 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { // 这里是插入到链表尾部！ p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st // 超过阈值，存储方式转化成红黑树 treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) // onlyIfAbsent 如果为true - 不覆盖已存在的值 // 把新值赋值进去 e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } // 记录修改次数 ++modCount; // 判断元素数量是否超过阈值 超过则扩容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
3.3 HashMap 的长度为什么默认初始长度是16，并且每次resize()的时候，长度必须是2的幂次方？
这是一个常见的面试题。这个问题描述的设计，实际上为了服务于从Key映射到数组下标index的Hash算法。
前面提到了，我们为了让HashMap存储高效，应该尽量减少哈希碰撞，也就是说，应该让元素分配得尽可能均匀。
Hash 值的范围值
-2147483648到2147483647，前后加起来大概40亿的映射空间，只要哈希函数映射得比较均匀松散，一般应用是很难出现碰撞的。但问题是一个40亿长度的数组，内存是放不下的。所以这个散列值是不能直接拿来用的。所以才需要一个映射的算法。这个计算方式就是3.2中有出现的
(n - 1) & hash。
我们来进一步演示一下这个算法：
假设有一个
key="book"计算
book的hashCode值，结果为十进制的3029737，二进制的101110001110101110 1001。假定HashMap长度是默认的16，计算Length-1的结果为十进制的15，二进制的1111。
把以上两个结果做与运算，101110001110101110 1001 & 1111 = 1001，十进制是9，所以 index=9。
通过这种与运算的方式，能够和取模运算一样的效果hashCode % length，在上述例子中就是3029737 % 16=9。
并且通过位运算的方式大大提高了性能。
可能到这里，你还是不知道为什么长度必须是2的幂次方，也是因为这种位运算的方法。
答案： **长度16或者其他2的幂，Length-1的值是所有二进制位全为1，这种情况下，index的结果等同于HashCode后几位的值。只要输入的HashCode本身分布均匀，Hash算法的结果就是均匀的。
**如果HashMap的长度不是2的幂次方，会出现某些index永远不会出现的情况，这个显然不符合均匀分布的原则和期望。所以在源码里面一直都在强调
power-of-two expansion和size must be power of two。
另外，HashMap 构造函数允许用户传入的容量不是 2 的 n 次方，因为它可以自动地将传入的容量转换为 2 的 n 次方。
/** * Returns a power of two size for the given target capacity. */ static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 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; }
4. HashMap 扩容
接下来我们来讲讲HashMap扩容相关的知识。
4.1 扩容
HashMap的初始长度是16，假设HashMap中的键值对一直在增加，但是table数组容量一直不变，那么就会发生哈希碰撞，查找的效率肯定会越来越低。所以当键值对数量超过某个阈值的时候，HashMap就会执行扩容操作。
那么扩容的阈值是怎么计算的呢？
阈值 = 数组长度 * 负载因子
threshold = capacity * loadFactor
每次扩容后，threshold 加倍
上述计算就出现在resize()方法中。下面会详细解析这个方法。我们先继续往下讲。
loadFactor这个参数，我们之前提到过，负载因子是权衡资源利用率与分配空间的系数。至于为什么是0.75呢？这个实际上就是一个作者认为比较好的权衡，当然你也可以通过构造方法手动设置负载因子 。
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {...)。接下去再来到这里的主角resize()方法
final Node<K,V>[] resize() { // 旧数组引用 Node<K,V>[] oldTab = table; // 旧数组长度 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // 旧阈值 int oldThr = threshold; // 新数组长度、新阈值 int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { // 旧数组已经超过了数组的最大容量 // 阈值改成最大，直接返回旧数组，不操作了 threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // newCap 变成原来的 两倍 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) // 执行扩容操作，新阈值 = 旧阈值 * 2 newThr = oldThr << 1; // double threshold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold // 初始阈值被手动设置过 // 数组容量 = 初始阈值 newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults // 初始化操作 // 数组容量 = 默认初始容量 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; // 初始阈值 = 容量 * 默认负载因子 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } if (newThr == 0) { // 如果在前面阈值都没有被设置过 float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } // 更新阈值 threshold = newThr; @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) // 创建数组 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; // 更新table引用的数组 table = newTab; if (oldTab != null) { // 扩容 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { // 遍历旧数组 Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { // 取出这个位置的头节点 // 把旧引用取消，方便垃圾回收 oldTab[j] = null; if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) // 红黑树的处理 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order // 链表的处理 这个链表处理实际上非常的巧妙 // 定义了两条链 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> 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; }
上述代码红黑树和链表的处理不知道大家看懂了没有，我反正在第一次看的时候有点晕乎。但是理解了之后有感觉非常的巧妙。
拿链表处理打比方，它干的就是把在遍历旧的table数组的时候，把该位置的链表分成high链表和low链表。具体是什么意思呢？看下下面的举例。
有一个size为16的HashMap。有A/B/C/D/E/F六个元素，其中A/B/C的Hash值为5，D/E/F的Hash值为21，我们知道计算数组下标的方法是与运算（效果相当于取模运算），这样计算出来，A/B/C/D/E/F的index = 5，都会被存在index=5的位置上中。
假设它们是依次插入，那么在index为5的位置上，就会有
A->B->C->D->E->F这样一个链表。当这个HashMap要进行扩容的时候，此时我们有旧数组oldTable[]，容量为16，新数组newTable[]，容量为32（扩容数组容量加倍）。
当遍历到旧数组index=5的位置的时候，进入到上面提到的链表处理的代码段中，对链表上的元素进行
Hash & oldCapacity的操作，Hash值为5的A/B/C计算之后为0，被分到了low链表，Hash为21的D/E/F被分到了high链表。然后把low链表放入新数组的index=5的位置，把high链表放入到新数组的index=5+16=21的位置。
红黑树相关的操作虽然代码不同，但是实际上要干的事情是一样的。就是把相同位置的不同Hash大小的链表元素在新table数组中进行分离。希望讲到这里你能听懂。
4.2 HashMap 死链问题
Java7的HashMap会存在死循环的问题，主要原因就在于，Java7中，HashMap扩容转移后**，前后链表顺序倒置，在转移过程中其他线程修改了原来链表中节点的引用关系，导致在某Hash桶位置形成了环形链表，此时get(key)，如果key不存在于这个HashMap且key的Hash结果等于那个形成了循环链表的Hash位置，那么程序就会进入死循环**；
Java8在同样的前提下并不会引起死循环，原因是Java8扩容转移后前后链表顺序不变，保持之前节点的引用关系。
5. Java 8 与 Java 7对比
-
发生hash冲突时，Java7会在链表头部插入，Java8会在链表尾部插入
-
扩容后转移数据，Java7转移前后链表顺序会倒置，Java8还是保持原来的顺序
-
引入红黑树的Java8极大程度地优化了HashMap的性能‘
-
put 操作达到阈值时，Java7中是先扩容再新增元素，Java8是先新增元素再扩容；
6. HashMap 遍历方式
// 遍历方式1 Iterator<Map.Entry<String, Integer>> entryIterator = map.entrySet().iterator(); while (entryIterator.hasNext()) { Map.Entry<String, Integer> next = entryIterator.next(); System.out.println("key=" + next.getKey() + " value=" + next.getValue()); } // 遍历方式2 Iterator<String> iterator = map.keySet().iterator(); while (iterator.hasNext()){ String key = iterator.next(); System.out.println("key=" + key + " value=" + map.get(key)); }
这里建议使用，第一种方式进行遍历。
第一种可以把 key value 同时取出，第二种还得需要通过 key 取一次 value，效率较低。
7. 为什么要使用红黑树？
很多人可能都会答上一句，为了提高查找性能，但更确切地来说的话，采用红黑树的方法是为了提高在极端哈希冲突的情况下提高HashMap的性能。
三、结语
知识的学习应该是相互穿插并且印证，HashMap实际上和其他的Map有很多交叉的实现原理，比如ConcurrentHashMap大致原理和HashMap相同，只是前者使用分段锁确保线程安全，Hashstable和HashMap底层原理也很相似，只是Hashstable使用synchronized做同步，并且官方在Hashstable出来之后就没有再去更新过，属于过时的类；HashMap和TreeMap底层都涉及到了红黑树。
拓展一：解决Hash 冲突的不同方案
- 链地址法
- 开发地址：线性探测法、平方探测法
- 完全散列：布谷鸟散列
面试题：