《Java集合Map》HashMap实现详解

1. 概述

JDK1.7中的HashMap是由数组+链表组成的，而JDK1.8中的HashMap是由数组+链表+红黑树组成。数组的默认长度（DEFAULT_INITIAL_CAPACITY）为16（可以自动变长，也可以指定一个长度），加载因子（DEFAULT_LOAD_FACTOR）为0.75。

HashMap的默认长度为16和规定数组长度为2的幂，是为了降低哈希碰撞的几率。
HashMap中使用链表主要为了解决哈希冲突，链表出现越少或者长度越小，性能才会越好。

数组：具有遍历快，增删慢的特点。数组在堆中是一块连续的存储空间，遍历时数组的首地址是知道的，所以遍历快，遍历的时间复杂度为O(1) ；当在中间插入或删除元素时，会造成该元素后面所有元素地址的改变，所以增删慢，增删的时间复杂度为O(n)。

链表：链表具有增删快，遍历慢的特点。链表中各元素的内存空间是不连续的，一个节点至少包含节点数据与后继节点的引用，所以在插入删除时，只需修改该位置的前驱节点与后继节点即可，链表在插入删除时的时间复杂度为O(1)。但是在遍历时，get(n)元素时，需要从第一个开始，依次拿到后面元素的地址，进行遍历，直到遍历到第n个元素，遍历的时间复杂度为O(n) ，所以效率极低。

2. 哈希冲突

指两个元素通过hash函数计算出的值是一样的，表示这两个元素存储的是同一个地址。当后面的元素要插入到这个地址时，发现已经被占用了，这时候就产生了哈希冲突。

哈希冲突的解决办法：

开放定址法：当发生哈希冲突时，查询产生冲突的地址的下一个地址是否被占用，直到寻找到空的地址。
链地址法：当发生哈希冲突时，在冲突的地址上生成一个链表，将冲突的元素的key通过equals进行比较，相同即覆盖，不同则添加到链表上。

HashMap使用的是链地址法。在JDK1.7中，如果链表过长，效率就会大大降低，查找和添加操作的时间复杂度都为O(n)；在JDK1.8中，如果链表长度大于8，链表就会转化为红黑树，时间复杂度也就将为O(logn)，性能得到了很大的提升。

当红黑树节点个数少于6的时候，又会将红黑树转化为链表。因为在数据量较小的情况下，红黑树要维持平衡，比起链表，性能上的优势并不明显。

3. Rehash扩容机制

如果HashMap的大小超过了负载因子（默认为0.75）定义的容量，也就是说，当一个Map填满了75%的Bucket时候，将会创建原来HashMap大小的两倍的Bucket数组，来重新调整Map的大小，并将原来的对象放入新的Bucket数组中。

阈值 = 数组默认的长度 x 负载因子（阈值 = 16 x 0.75 = 12）

1. HashMap扩容限制的负载因子为什么是0.75？为什么不能是0.1或者1呢？

如果负载因子为0.5甚至更低的可能的话，最后得到的临时阈值明显会很小，这样的情况就会造成内存的浪费，存在多余的没用的内存空间，也不满足哈希表均匀分布的情况。
如果负载因子达到了1的情况，也就是数组存满了才发生扩容，这样会出现大量的哈希冲突的情况，出现链表过长，因此造成get查询数据的效率。

2. 为何数组容量必须是2次幂？ 索引计算公式为index = (length - 1) & hash，如果length为2次幂，那么length-1的低位就全是1，哈希值进行与操作时可以保证低位的值不变，效果等同于hash%length，从而保证分布均匀。

JDK1.8中在扩容HashMap的时候，不需要像JDK1.7中去重新计算元素的hash，只需要看看原来的hash值新增的哪个二进制数是1还是0就好了「是0还是1可以认为是随机的」，如果是0的话表示索引没有变，是1的话表示索引变成“oldCap+原索引”，这样即省去了重新计算hash值的时间，并且扩容后链表元素位置不会倒置。

4. JDK1.7源码分析

JDK1.7中的HashMap是由数组+链表组成的，组成链表结点的是Entity包含三个元素：key、value和指向下一个Entity的next。

如果定位到的数组位置不含链表（当前Entity的next指向null），那么对于查找和添加等操作的执行速度很快，仅需要一次寻址，时间复杂度为O(1)。
如果定位到的数组包含链表，对于添加操作，其时间复杂度为O(n)。首先遍历链表，存在即覆盖，否则新增；对于查找操作仍需要遍历链表，然后通过equals方法逐一比对查找。

4.1 put()

用table[index]表示通过hash值计算出元素需要存储在数组中的位置（bucket桶），先判断该位置上是否存在Entity。
如果不存在Entity，在该位置上插入一个Entity<k,v>对象，插入结束。
如果存在Entity，通过equals方法将key和已有的key进行比较，检查是否相同。
- 如果相同，新的value替换老的value；
- 如果不相同，则在table[index]插入该Entity，并将新的Entity的next指向原来的Entity，新插入的Entity的位置永远是在链表的最前面（头插法）。

如果多线程同时put，如果同时触发了Rehash扩容操作，会导致HashMap中的链表中出现循环节点，进而使得后面get的时候，会出现死循环，所以HashMap是非线程安全的。

4.2 get()

先定位到数组元素，再遍历该元素处的链表，在寻找目标元素的时候，除了对比通过key计算出来的hash值，还会用双等或equals方法对key本身来进行比较，两者都为true时才会返回这个元素。

按照散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2) = true，则它们的hashCode必须相同；但如果两个对象不同，则它们的hashCode不一定不同。
如果两个不同对象的hashcode相同，就称为冲突。冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以覆盖了equals方法之后一定要覆盖hashCode方法。比如，

String a = new String(“abc”);
String b = new String(“abc”);
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如果不覆盖的话，那么a和b的hashCode就会不同，把这两个类当做key存到HashMap中的话就会出现问题，就会和key的唯一性相矛盾。

如何定位元素?即二进制 hashCode & (leng-1)

计算"book"的hashcode 十进制 : 3029737 二进制 : 101110001110101110 1001

HashMap长度是默认的 16，length - 1 的结果十进制 : 15 二进制 : 1111

把以上两个结果做与运算 101110001110101110 1001 & 1111 = 1001 1001的十进制 : 9，所以 index=9。

5. JDK1.8源码分析

JDK1.7中的HashMap是由数组+链表+红黑树组成的，组成链表结点的是Node包含三个元素：key、value和指向下一个Node的next。

5.1 put()

判断键值对数组table[i]是否为空或为null，如果为空则创建Node；
根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table[i]不为空，则转向③；
判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value，否则转向④，这里的相同指的是hashCode以及equals；
判断table[i]是否为treeNode红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对，否则转向⑤；
遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，如果链表长度大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；
插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行resize()扩容。

public V put(K key, V value) {
     // 对key做hash运算得到hashCode
     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
 }

 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                boolean evict) {
     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
     // 步骤①：tab为空则创建。
     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
         n = (tab = resize()).length;
     // 步骤②：计算index。
     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 
         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
     else {
         Node<K,V> e; K k;
         // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value。
         if (p.hash == hash &&
             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
             e = p;
         // 步骤④：判断该链是否为红黑树。
         else if (p instanceof TreeNode)
             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
         // 步骤⑤：链表
         else {
             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                 if ((e = p.next) == null) {
                     p.next = newNode(hash, key,value,null);
                      // 判断链表长度是否大于8，如果链表长度大于8转换为红黑树进行处理。
                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  
                         treeifyBin(tab, hash);
                     break;
                 }
                  // 如果key已经存在并且equals相等，则直接覆盖value。
                 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)
                 e.value = value;
             afterNodeAccess(e);
             return oldValue;
         }
     }     ++modCount;
     // 步骤⑥：超过最大容量就扩容。
     if (++size > threshold)
         resize();
     afterNodeInsertion(evict);
     return null;
 }
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5.2 get()

判断表是否为空，并且计算索引位置，并对索引位置的值进行判空校验。
- 如果表为空 && 索引位置没有值，直接返回null；
- 如果表不为空 && 索引位置有值，执行步骤②。
判断入参key与索引处第一个key的hashCode是否相等、 key是否相等或者equals是否相等。
- 如果步骤②条件满足，则直接返回；否则执行步骤③；
判断链接是否为红黑树。
- 如果链表是红黑树，则按照红黑树二叉查找法获取值；
- 如果不是红黑树（链表长度小于8为普通链表），则遍历链表，直到找到与入参key的hashCode相等、equals相等的key，并获取该key的值。

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        // Node不为空 && 计算索引位置并且索引处有值
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            // 判断key的hashCode是否相等 
            // && 判断索引处第一个key与传入key是否相等 
            // && 判断key的equals是否相等。
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            // 判断链表是否是红黑树，如果是红黑树，就从树中获取值。
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                // 如果不是红黑树，遍历链表。
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }
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6. 使用示例

public class HashMapDemo {

    @Test
    public void test1() {
        // 第一种：普通使用，二次取值
        Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            map.put("test" + i, "test" + i);
        }
        long before = System.currentTimeMillis();
        for (String key : map.keySet()) {
            map.get(key);
        }
        long after = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("HashMap遍历:" + (after - before) + "ms");
    }

    @Test
    public void test2() {
        // 推荐，尤其是容量大时
        Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            map.put("test" + i, "test" + i);
        }
        long before = System.currentTimeMillis();
        for (Map.Entry<String, Object> entry : map.entrySet()) {
            entry.getValue();
            entry.getKey();
        }
        long after = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("HashMap遍历:" + (after - before) + "ms");
    }

    @Test
    public void test3() {
        // 通过Map.entrySet使用iterator遍历key和value
        Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            map.put("test" + i, "test" + i);
        }
        long before = System.currentTimeMillis();
        Iterator<Entry<String, Object>> iterator = map.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Map.Entry<String, Object> entry = (Entry<String, Object>) iterator.next();
            entry.getKey();
            entry.getValue();
        }
        long after = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("HashMap遍历:" + (after - before) + "ms");
    }

    @Test
    public void test4() {
        // 通过Map.values()遍历所有的value，但不能遍历key
        Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            map.put("test" + i, "test" + i);
        }
        long before = System.currentTimeMillis();
        for (@SuppressWarnings("unused") Object object : map.values()) {

        }
        long after = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("HashMap遍历:" + (after - before) + "ms");
    }

}
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