HashMap 的實現原理

衆所周知，HashMap是用來存儲Key-Value鍵值對的一種集合，這個鍵值對也叫作Entry，而每一個Entry都是存儲在數組當中，所以這個數組就是HashMap的主幹。
HashMap數組中的每個元素的初始值都是NULL 

Put方法的實現原理

HaspMap的一種重要的方法是put()方法，當咱們調用put()方法時，好比hashMap.put("Java",0)，此時要插入一個Key值爲「Java」的元素，這時首先須要一個Hash函數來肯定這個Entry的插入位置，設爲index，即 index = hash("Java")，假設求出的index值爲2，那麼這個Entry就會插入到數組索引爲2的位置。可是HaspMap的長度確定是有限的，當插入的Entry愈來愈多時，不一樣的Key值經過哈希函數算出來的index值確定會有衝突，此時就能夠利用鏈表來解決。
其實HaspMap數組的每個元素不止是一個Entry對象，也是一個鏈表的頭節點，每個Entry對象經過Next指針指向下一個Entry對象，這樣，當新的Entry的hash值與以前的存在衝突時，只須要插入到對應點鏈表便可。
須要注意的是，新來的Entry節點採用的是「頭插法」，而不是直接插入在鏈表的尾部，這是由於HashMap的發明者認爲，新插入的節點被查找的可能性更大。

Get方法的實現原理

get()方法用來根據Key值來查找對應點Value，當調用get()方法時，好比hashMap.get("apple")，這時一樣要對Key值作一次Hash映射，算出其對應的index值，即index = hash("apple")。
前面說到的可能存在Hash衝突，同一個位置可能存在多個Entry，這時就要從對應鏈表的頭節點開始，一個個向下查找，直到找到對應的 Key值，這樣就得到到了所要查找的鍵值對。
例如假設咱們要找的Key值是"apple"： 

第一步，算出Key值「apple」的hash值，假設爲2。 第二步，在數組中查找索引爲2的位置，此時找到頭節點爲Entry6，Entry6的Key值是banana，不是咱們要找的值。 第三步，查找Entry6的Next節點，這裏爲Entry1，它的Key值爲apple，是咱們要查找的值，這樣就找到了對應的鍵值對，結束。

HashMap的深刻思考

上面所說的就是HashMap的基本原理，能夠總結出HashMap的3個要素爲：hash函數、數組、鏈表，以下圖：接下來對於HaspMap還有不少深刻的問題，好比： 1.HashMap默認的初始長度是多少？爲何這麼規定？ 2.高併發狀況下，HashMap會出現死鎖嗎？ 3.Java8中，HashMap有怎樣的優化？ 下面開始說明這幾個問題：

HashMap的長度

1.HaspMap的默認初始長度是16，而且每次擴展長度或者手動初始化時，長度必須是2的次冪。之因此是16，是爲了服務於從Key值映射到index的hash算法。前面說到了，從Key值映射到數組中所對應的位置須要用到一個hash函數：index = hash("Java");

那麼爲了實現一個儘可能分佈均勻的hash函數，利用的是Key值的HashCode來作某種運算。所以問題來了，如何進行計算，才能讓這個hash函數儘可能分佈均勻呢？

一種簡單的方法是將Key值的HashCode值與HashMap的長度進行取模運算，即 index = HashCode(Key) % hashMap.length，可是，可是！這種取模方式運算當然簡單，然而它的效率是很低的， 並且，若是使用了取模%， 那麼HashMap在容量變爲2倍時， 須要再次rehash肯定每一個鏈表元素的位置，浪費了性能。 所以爲了實現高效的hash函數算法，HashMap的發明者採用了位運算的方式。那麼如何進行位運算呢？能夠按照下面的公式：

index = HashCode(Key) & (hashMap.length - 1); 

接下來咱們以Key值爲「apple」的例子來演示這個過程：

1) 計算「apple」的hashcode，結果爲十進制的3029737，二進制的101110001110101110 1001。

2) HashMap默認初始長度是16，計算hashMap.Length-1的結果爲十進制的15，二進制的1111。

3) 把以上兩個結果作 與運算，101110001110101110 1001 & 1111 = 1001，十進制是9，因此 index=9。

能夠看出來，hash算法獲得的index值徹底取決與Key的HashCode的最後幾位。這樣作不但效果上等同於取模運算，並且大大提升了效率。

那麼回到最初的問題，初始長度爲何是16或者2的次冪？若是不是會怎麼樣？

咱們假設HaspMap的初始長度爲10，重複前面的運算步驟：

單獨看這個結果，表面上並無問題。咱們再來嘗試一個新的HashCode 101110001110101110 1011 ：

而後咱們再換一個HashCode 101110001110101110 1111 試試 ：這樣咱們能夠看到，雖然HashCode的倒數第二第三位從0變成了1，可是運算的結果都是1001。也就是說，當HashMap長度爲10的時候，有些index結果的出現概率會更大，而有些index結果永遠不會出現（好比0111）！

因此這樣顯然不符合Hash算法均勻分佈的原則。

而長度是16或者其餘2的次冪，Length – 1的值的全部二進制位全爲1（如15的二進制是1111，31的二進制爲11111），這種狀況下，index的結果就等同於HashCode後幾位的值。只要輸入的HashCode自己分佈均勻，Hash算法的結果就是均勻的。這也是HashMap設計的玄妙之處。

HashMap的死鎖

咱們知道HashMap是非線程安全的，那麼緣由是什麼呢？

因爲HashMap的容量是有限的，若是HashMap中的數組的容量很小，假如只有2個，那麼若是要放進10個keys的話，碰撞就會很是頻繁，此時一個O(1)的查找算法，就變成了鏈表遍歷，性能變成了O(n)，這是Hash表的缺陷。

爲了解決這個問題,HashMap設計了一個閾值，其值爲容量的0.75，當HashMap所用容量超過了閾值後，就會自動擴充其容量。

在多線程的狀況下，當從新調整HashMap大小的時候，就會存在條件競爭，由於若是兩個線程都發現HashMap須要從新調整大小了，它們會同時試着調整大小。在調整大小的過程當中，存儲在鏈表中的元素的次序會反過來，由於移動到新的bucket位置的時候，HashMap並不會將元素放在鏈表的尾部，而是放在頭部，這是爲了不尾部遍歷。若是條件競爭發生了，那麼就會產生死循環了。

具體發生死鎖的過程能夠參考這篇文章：Java HashMap 的死循環(HashMap Infinite Loop)

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本文原文出處：業餘草： » HashMap 的實現原理