Java集合之HashMap知多少

一.引言   

 HashMap應該算是Java後端工程師面試的必問題，由於其中的知識點太多，很適合用來考察面試者的Java基礎。

 HashMap做爲使用頻率最高的用於映射(鍵值對)處理的數據類型。隨着JDK（Java Developmet Kit）版本的更新，JDK1.8對HashMap底層的實現進行了優化， 例如引入紅黑樹的數據結構和擴容的優化等。 結合JDK1.7和JDK1.8的區別讓咱們一塊兒來探討一下吧!

二.簡介

        Hash法的概念

         散列法（Hashing）是一種將字符組成的字符串轉換爲固定長度（通常是更短長度）的數值或索引值的方法，稱爲散列法，也叫哈希法。因爲經過更短的哈希值比用原始值進行數據庫搜索更快，這種方法通常用來在數據庫中創建索引並進行搜索，同時還用在各類解密算法中。

        HashMap 和 HashTable

        Hashtable 是早期Java類庫提供的一個哈希表實現， 不少映射的經常使用功能與HashMap相似，不一樣的是它承自Dictionary類，而且是線程安全的，任一時間只有一個線程能寫Hashtable ,不支持 null 鍵和null值，因爲同步致使的性能開銷，因此已經不多被推薦使用。

        HashMap與 HashTable主要區別在於 HashMap 不是同步的，支持 null 鍵和null值等。一般狀況下，HashMap 進行 put 或者 get 操做，能夠達到常數時間的性能，因此它是絕大部分利用鍵值對存取場景的首選。HashMap非線程安全，即任一時刻能夠有多個線程同時寫HashMap，可能會致使數據的不一致。若是須要知足線程安全，能夠用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具備線程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。

三.HashMap的實現原理

     HashMap由數組+鏈表組成的，數組是HashMap的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的，若是定位到的數組位置不含鏈表（當前entry的next指向null）,那麼查找，添加等操做很快，僅需一次尋址便可；若是定位到的數組包含鏈表，對於添加操做，其時間複雜度爲O(n)，首先遍歷鏈表，存在即覆蓋，不然新增；對於查找操做來說，仍需遍歷鏈表，而後經過key對象的equals方法逐一比對查找。因此，性能考慮，HashMap中的鏈表出現越少，性能纔會越好。

    

 哈希衝突

咱們都知道判斷對象是否相等的時候可使用 hash值這種方式來,同時咱們還知道這種方式是存在缺點的,有可能兩個對象的內容不正確,可是兩個對象的hash值卻同樣,這是存在的.

   那麼, 若是兩個不一樣的元素，經過哈希函數得出的實際存儲地址相同怎麼辦？ 也就是說，當咱們對某個元素進行哈希運算，獲得一個存儲地址，而後要進行插入的時候，發現已經被其餘元素佔用了，其實這就是所謂的哈希衝突，也叫哈希碰撞。

    數組是一塊連續的固定長度的內存空間，再好的哈希函數也不能保證獲得的存儲地址絕對不發生衝突。那麼哈希衝突如何解決呢？

  咱們能夠經過如下幾種方式解決 : 

針對哈希表直接定址可能存在hash衝突，舉一個簡單的例子，例如：
    第一個鍵值對A進來，經過計算其key的hash獲得的index=0。記作:Entry[0] = A。
    第二個鍵值對B，經過計算其index也等於0， HashMap會將B.next =A,Entry[0] =B,
    第三個鍵值對C，經過計算其index也等於0，那麼C.next = B,Entry[0] = C；
這樣咱們發現index=0的地方事實上存取了A,B,C三個鍵值對,它們經過next這個屬性連接在一塊兒。 對於不一樣的元素，可能計算出了相同的函數值，這樣就產生了hash 衝突，那要解決衝突，又有哪些方法呢？具體以下：

a. 鏈地址法：將哈希表的每一個單元做爲鏈表的頭結點，全部哈希地址爲 i 的元素構成一個同義詞鏈表。即發生衝突時就把該關鍵字鏈在以該單元爲頭結點的鏈表的尾部。

b. 開放定址法：即發生衝突時，去尋找下一個空的哈希地址。只要哈希表足夠大，總能找到空的哈希地址。

c. 再哈希法：即發生衝突時，由其餘的函數再計算一次哈希值。

d. 創建公共溢出區：將哈希表分爲基本表和溢出表，發生衝突時，將衝突的元素放入溢出表。

而咱們的HashMap採用的是鏈地址法,即上面提到 數組 + 鏈表的方式. 當兩個對象的哈希值相同時，它們的哈希桶位置相同，碰撞就會發生。此時，能夠將 put 進來的 K- V 對象插入到鏈表的尾部。對於儲存在同一個哈希桶位置的鏈表對象，可經過鍵對象的equals()方法用來找到鍵值對。

四.HashMap的內部數據結構

        HashMap內部維護的數據結構是數組+鏈表,每一個鍵值對都存儲在HashMap的靜態內部類Entry中,結構如圖 :

五 . HashMap插入數據原理圖

1. 判斷數組是否爲空，爲空進行初始化;
2. 不爲空，計算 k 的 hash 值，經過 (n-1) & hash 計算應當存放在數組中的下標 index;
3. 查看 table[index] 是否存在數據，沒有數據就構造一個Node節點存放在 table[index] 中；
4. 存在數據，說明發生了hash衝突(存在二個節點key的hash值同樣), 繼續判斷key是否相等，相等，用新的value替換原數據(onlyIfAbsent爲false)；
5. 若是不相等，判斷當前節點類型是否是樹型節點，若是是樹型節點，創造樹型節點插入紅黑樹中；(若是當前節點是樹型節點證實當前已是紅黑樹了)
6. 若是不是樹型節點，建立普通Node加入鏈表中；判斷鏈表長度是否大於 8而且數組長度大於64， 大於的話鏈表轉換爲紅黑樹；
7. 插入完成以後判斷當前節點數是否大於閾值，若是大於開始擴容爲原數組的二倍。

六.HashMap 是否線程安全?如何解決線程不安全的問題

    HashMap是否線程安全?    

        不是，在多線程環境下，1.7 會產生死循環、數據丟失、數據覆蓋的問題，1.8 中會有數據覆蓋的問題，以1.8爲例，當A線程判斷index位置爲空後正好掛起，B線程開始往index位置的寫入節點數據，這時A線程恢復現場，執行賦值操做，就把A線程的數據給覆蓋了；還有++size這個地方也會形成多線程同時擴容等問題。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
  if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;
  if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)  //多線程執行到這裏
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  else {
    Node<K,V> e; K k;
    if (p.hash == hash &&
        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      e = p;
    else if (p instanceof TreeNode) // 這裏很重要
      e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
    else {
      for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        if ((e = p.next) == null) {
          p.next = newNode(hash, key, value, null);
          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
            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)
        e.value = value;
      afterNodeAccess(e);
      return oldValue;
    }
  }
  ++modCount;
  if (++size > threshold) // 多個線程走到這，可能重複resize()
    resize();
  afterNodeInsertion(evict);
  return null;
}

如何解決線程不安全的問題?

Java中有HashTable、Collections.synchronizedMap、以及ConcurrentHashMap能夠實現線程安全的Map。

HashTable是直接在操做方法上加synchronized關鍵字，鎖住整個數組，粒度比較大;

Collections.synchronizedMap是使用Collections集合工具的內部類，經過傳入Map封裝出一個SynchronizedMap對象，內部定義了一個對象鎖，方法內經過對象鎖實現；

ConcurrentHashMap使用分段鎖，下降了鎖粒度，讓併發度大大提升。

 

七.HashMap 在 JDk 1.8 和 JDK 1.7 中有什麼區別?

 1.發生hash衝突時 

    JDK 1.7  :

             發生hash衝突時，新元素插入到鏈表頭中，即新元素老是添加到數組中，就元素移動到鏈表中。

    JDK 1.8 :

             發生hash衝突後，會優先判斷該節點的數據結構式是紅黑樹仍是鏈表，若是是紅黑樹，則在紅黑樹中插入數據；若是是鏈表，則將數據插入到鏈表的尾部並判斷鏈表長度是否大於8，若是大於8要轉成紅黑樹。

2.新增節點時

        JDK 1.7 :

              使用了 頭插法

        JDK 18. :

               使用了 尾插法
3.擴容時

     JDK 1.7 :

          在擴容resize（）過程當中，採用單鏈表的頭插入方式，在將舊數組上的數據 轉移到 新數組上時，轉移操做 = 按舊鏈表的正序遍歷鏈表、在新鏈表的頭部依次插入，即在轉移數據、擴容後，容易出現鏈表逆序的狀況 。 多線程下resize()容易出現死循環。此時若（多線程）併發執行 put（）操做，一旦出現擴容狀況，則 容易出現 環形鏈表，從而在獲取數據、遍歷鏈表時 造成死循環（Infinite Loop），即 死鎖的狀態 。

    JDK 1.8 :

        因爲 JDK 1.8 轉移數據操做 = 按舊鏈表的正序遍歷鏈表、在新鏈表的尾部依次插入，因此不會出現鏈表 逆序、倒置的狀況，故不容易出現環形鏈表的狀況 ，但jdk1.8還是線程不安全的，由於沒有加同步鎖保護。

建議 : 

    1.使用的時候設置初始化值,避免屢次擴容的性能消耗

    2.使用自定義對象做爲key時,須要重寫hashCode()和equals()方法

    3.多線程環境儘可能使用ConcurrentHashMap來代替HashMap,HashTable也能夠,可是用的少

這就是小喵今天的分享了

知識有點亂,還請小夥伴們到時候縷縷思路哦!

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