Java HashMap總結

HashMap的數據結構

底層由數組和鏈表組成，數組是主體，鏈表是爲了解決Hash衝突，jdk1.8後，當鏈表的長度大於閾值8時，會轉換爲紅黑樹

HashMap的hash函數實現原理

一、JDK 1.8 中，經過key的hashCode()方法獲得值的高16位異或低16 位實現的：

(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)

二、使用計算獲得的hash值與數組長度n-1作與位運算獲得數組下標：

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

計算下標時爲何用位與運算？

• 因爲位運算直接對內存數據進行操做，不須要轉成十進制，所以處理速度很是快
• 正整數對2的倍數取模，只要將數與2的倍數-1作位與運算
• 對2的倍數取餘，只要將數右移2的倍數位

爲何使用異或運算？
這段代碼叫「擾動函數」，目的是爲了混合原hash碼的高位和地位，混合後的低位摻雜了高位的部分特徵，這樣高位的信息也被變相的保留下來

• 計算獲得hash值後須要與數組長度-1作與位運算獲得元素所在數組下標位置，此時數組長度-1至關於一個「低位掩碼」，結果是hash值的高位所有歸零，只保留低位值
• hashCode函數返回的int值範圍爲32位，右移16位再異或，至關於本身的高半區和低半區作異或，這樣獲得的hash值混合了原始hash碼高位和低位的特徵，減小了hash碰撞的概率

爲何用異或，不用與和或運算？

圖片轉自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

HashMap的put方法執行過程

• 調用哈希函數獲取Key對應的hash值，再計算其數組下標；
• 若是沒有出現哈希衝突，則直接放入數組；若是出現哈希衝突，則以鏈表的方式放在鏈表後面；
• 若是鏈表長度超過閥值( TREEIFY THRESHOLD==8)，就把鏈表轉成紅黑樹，鏈表長度低於6，就把紅黑樹轉回鏈表；
• 若是結點的key不存在，直接插入，若是已經存在，則替換其value；
• 若是集合中的鍵值對大於12，調用resize方法進行數組擴容。

HashMap的容量與擴容機制

初始容量與負載因子：

• HashMap默認初始容量爲16，負載因子爲0.75

  • 負載因子爲0.75是在容量浪費和hash衝突增多之間取的一個值

• 指定初始容量時推薦使用2的倍數做數組長度

  • 由於只有2的倍數在減1的時候，纔會出現01111這樣的值，才能用來作與位運算替代取模運算
  • 若是指定的初始容量不爲2的倍數，則會尋找比原始值大的最小的那個2的倍數值，如傳17，則初始容量爲32

擴容過程：

• 建立一個新數組，其容量爲舊數組的兩倍
• 將原數組中的元素遷移至新數組。jdk1.8如下須要從新計算下標位置，jdk1.8後作了優化，只需計算hash & oldCap的值便可肯定元素在新數組中的位置（oldCap爲原數組長度），分如下兩張狀況：

A：擴容後，若hash值新增參與運算的位=0，那麼元素在擴容後的位置=原始位置
B：擴容後，若hash值新增參與運算的位=1，那麼元素在擴容後的位置=原始位置+原數組長度。

因此說擴容是一個特別耗性能的操做，因此當程序員在使用HashMap的時候，估算map的大小，初始化的時候給一個大體的數值，避免map進行頻繁的擴容。

爲何使用須要鏈表轉紅黑樹

• 引入紅黑樹就是爲了查找數據快，解決鏈表查詢深度的問題。鏈表查詢效率爲O(n)，當長度過長時查詢效率慢，紅黑樹查詢效率O(lgn)，查詢效率快
• 紅黑樹在插入新數據後可能須要經過左旋，右旋、變色這些操做來保持樹的平衡
• 構建紅黑樹和維護紅黑樹的平衡也須要一些操做損耗資源，因此在鏈表長度大於8時才轉換成紅黑樹

紅黑樹：

• 每一個節點非紅即黑
• 根節點老是黑色的
• 若是節點是紅色的，則它的子節點必須是黑色的（反之不必定）
• 每一個葉子節點都是黑色的空節點（NIL節點）
• 從根節點到葉節點或空子節點的每條路徑，必須包含相同數目的黑色節點（即相同的黑色高度）

jdk8中對HashMap作了哪些改變？

• 在java 1.8中，若是鏈表的長度超過了8，那麼鏈表將轉換爲紅黑樹。
• 發生hash碰撞時，java 1.7 會在鏈表的頭部插入，而java 1.8會在鏈表的尾部插入
• 擴容遷移數據時，jdk1.8沒有從新計算新數組下標，而是經過hash & 原數組長度來肯定元素在新數組中的下標
• 在java 1.8中，Entry被Node替代(換了一個馬甲）。

hash衝突的解決方法

一、開放地址法
當出現hash衝突時，執行左右空節點探測

• 線性探測再散列，當hash值p出現衝突時，則將數據放到 (p + 1) % m處 ，逐步向後探測
• 二次探測再散列，當hash值p出現衝突時，則將數據放到 (p + 1) % m 處，若是此時還存在衝突，則將數據放到 (p - 1) % m 處，左右探測
• 僞隨機探測再散列，構建一個隨機數列探測，di依次取數列中的值

缺點：不能刪除節點、只能對節點做刪除標記；要求哈希表空間大於或等於裝填數據數目。

二、再hash法
構造多個hash函數，當一個衝突時，再計算第二個的hash值，直到不衝突爲止

優缺點：這種方式不容易產生彙集，但增長了計算時間

三、鏈地址法
出現衝突時用鏈表連接

缺點：須要額外的空間

四、創建公共溢出區
將哈希表分爲基本表和溢出表兩部分，凡是和基本表中元素髮生衝突的元素均存入溢出表

ConcurrentHashMap數據結構

jdk1.7:

• 使用一個Segment數組和多個HashEntry數組組成
• 當執行put操做時，會進行第一次key的hash來定位Segment數組的位置，若是該Segment尚未初始化，即經過CAS操做進行賦值，而後進行第二次hash操做，找到對應的HashEntry的位置，再經過ReentrantLock進行加鎖後，將數據添加到鏈表尾部

jdk1.8：

• 與HashMap結構一致，底層是數組+鏈表或數組加紅黑樹的結構實現，當鏈表的節點數大於8時會轉換爲紅黑樹
• 操做流程是，對key進行hash運算定位到數組下標，若是下標位置table爲空則先初始化，再cas插入，若是有數據，則用同步鎖Synchronized進行加鎖後插入

jdk1.7數據結構圖：

HashMap，LinkedHashMap，TreeMap 有什麼區別？

• HashMap 經過hash函數計算數組下標，key是無序的
• LinkedHashMap經過雙向鏈表保存了記錄的插入順序，在用 Iterator 遍歷時，先取到的記錄確定是先插入的；遍歷比 HashMap 慢；
• TreeMap 實現 SortMap 接口，可以把它保存的記錄根據鍵排序（默認按鍵值升序排序，也~~~~能夠指定排序的比較器）

HashMap、TreeMap、LinkedHashMap的使用場景

• HashMap：通常狀況下，使用最多的是 HashMap。只須要普通的在 Map 中插入、刪除和定位元素時；
• TreeMap：在須要按天然順序或自定義順序遍歷鍵的狀況下；
• LinkedHashMap：在須要輸出的順序和輸入的順序相同的狀況下。

HashMap 和 HashTable 有什麼區別？

• HashMap 是線程不安全的，HashTable 是線程安全的；
• HashMap容許插入null鍵，HashTable不容許；
• HashMap 默認初始化數組的大小爲16，HashTable 爲 11，前者擴容時，擴大兩倍，後者擴大兩倍+1；
• HashMap 須要從新計算 hash 值，而 HashTable 直接使用對象的 hashCode