HashMap 有什么特点

JDK8 之前底层实现是数组 + 链表，JDK8 改为数组 + 链表/红黑树，节点类型从Entry 变更为 Node。
主要成员变量包括存储数据的 table 数组、元素数量 size、加载因子 loadFactor。

• table 数组记录 HashMap 的数据，每个下标对应一条链表，所有哈希冲突的数据都会被存放到同一条链表，
  Node/Entry 节点包含四个成员变量：key、value、next 指针和 hash 值。

• HashMap 中数据以键值对的形式存在，键对应的 hash 值用来计算数组下标，如果两个元素 key 的 hash 值一样，就会发生哈希冲突，被放到同一个链表上，为使查询效率尽可能高，键的 hash 值要尽可能分散。

• HashMap 默认初始化容量为 16，扩容容量必须是 2 的幂次方、最大容量为 1<< 30 、默认加载因子为 0.75。

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相关方法的源码

JDK8 之前

• hash：计算元素 key 的散列值

  1. 处理 String 类型时，调用 stringHash32 方法获取 hash 值。
  2. 处理其他类型数据时，提供一个相对于 HashMap 实例唯一不变的随机值 hashSeed 作为计算初始量。
  3. 执行异或和无符号右移使 hash 值更加离散，减小哈希冲突概率。

• indexFor：计算元素下标

  1. 将 hash 值和数组长度-1 进行与操作，保证结果不会超过 table 数组范围。

• get：获取元素的 value 值

  1. 如果 key 为 null，调用 getForNullKey 方法，如果 size 为 0 表示链表为空，返回 null。
     如果 size 不为 0 说明存在链表，遍历 table[0] 链表，如果找到了 key 为 null 的节点则返回其 value，否则返回 null。
  2. 如果 key 为 不为 null，调用 getEntry 方法，如果 size 为 0 表示链表为空，返回 null 值。如果 size 不为 0，首先计算 key 的 hash 值，然后遍历该链表的所有节点，如果节点的 key 和 hash 值都和要查找的元素相同则返回其 Entry 节点。
  3. 如果找到了对应的 Entry 节点，调用 getValue 方法获取其 value 并返回，否则返回 null。

• put：添加元素

  1. 如果 key 为 null，直接存入 table[0]。
  2. 如果 key 不为 null，计算 key 的 hash 值。
  3. 调用 indexFor 计算元素存放的下标 i。
  4. 遍历 table[i] 对应的链表，如果 key 已存在，就更新 value 然后返回旧 value。
  5. 如果 key 不存在，将 modCount 值加 1，使用 addEntry 方法增加一个节点并返回 null。

• resize：扩容数组

  1. 如果当前容量达到了最大容量，将阈值设置为 Integer 最大值，之后扩容不再触发。
  2. 否则计算新的容量，将阈值设为 newCapacity x loadFactor 和 最大容量 + 1 的较小值。
  3. 创建一个容量为 newCapacity 的 Entry 数组，调用 transfer 方法将旧数组的元素转移到新数组。

• transfer：转移元素

  1. 遍历旧数组的所有元素，调用 rehash 方法判断是否需要哈希重构，如果需要就重新计算元素 key 的 hash 值。
  2. 调用 indexFor 方法计算元素存放的下标 i，利用头插法将旧数组的元素转移到新数组。

JDK8

• hash：计算元素 key 的散列值

  1. 如果 key 为 null 返回 0，否则就将 key 的 hashCode 方法返回值高低16位异或，让尽可能多的位参与运算，让结果的 0 和 1 分布更加均匀，降低哈希冲突概率。

• put：添加元素

  1. 调用 putVal 方法添加元素。
  2. 如果 table 为空或长度为 0 就进行扩容，否则计算元素下标位置，不存在就调用 newNode 创建一个节点。
  3. 如果存在且是链表，如果首节点和待插入元素的 hash 和 key 都一样，更新节点的 value。
  4. 如果首节点是 TreeNode 类型，调用 putTreeVal 方法增加一个树节点，每一次都比较插入节点和当前节点的大小，待插入节点小就往左子树查找，否则往右子树查找，找到空位后执行两个方法：balanceInsert 方法，插入节点并调整平衡、moveRootToFront 方法，由于调整平衡后根节点可能变化，需要重置根节点。
  5. 如果都不满足，遍历链表，根据 hash 和 key 判断是否重复，决定更新 value 还是新增节点。如果遍历到了链表末尾则添加节点，如果达到建树阈值 7，还需要调用 treeifyBin 把链表重构为红黑树。
  6. 存放元素后将 modCount 加 1，如果 ++size > threshold ，调用 resize 扩容。

• get ：获取元素的 value 值

  1. 调用 getNode 方法获取 Node 节点，如果不是 null 就返回其 value 值，否则返回 null。
  2. getNode 方法中如果数组不为空且存在元素，先比较第一个节点和要查找元素的 hash 和 key ，如果都相同则直接返回。
  3. 如果第二个节点是 TreeNode 类型则调用 getTreeNode 方法进行查找，否则遍历链表根据 hash 和 key 查找，如果没有找到就返回 null。

• resize：扩容数组

  1. 重新规划长度和阈值，如果长度发生了变化，部分数据节点也要重新排列。

• 重新规划长度

  1. 如果当前容量 oldCap > 0 且达到最大容量，将阈值设为 Integer 最大值，return 终止扩容。
  2. 如果未达到最大容量，当 oldCap << 1 不超过最大容量就扩大为 2 倍。
  3. 如果都不满足且当前扩容阈值 oldThr > 0，使用当前扩容阈值作为新容量。
  4. 否则将新容量置为默认初始容量 16，新扩容阈值置为 12。

• 重新排列数据节点

  1. 如果节点为 null 不进行处理。
  2. 如果节点不为 null 且没有next节点，那么通过节点的 hash 值和 新容量-1 进行与运算计算下标存入新的 table 数组。
  3. 如果节点为 TreeNode 类型，调用 split 方法处理，如果节点数 hc 达到6 会调用 untreeify 方法转回链表。
  4. 如果是链表节点，需要将链表拆分为 hash 值超出旧容量的链表和未超出容量的链表。对于hash & oldCap == 0 的部分不需要做处理，否则需要放到新的下标位置上，新下标 = 旧下标 + 旧容量。

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HashMap 为什么线程不安全

JDK7 存在死循环和数据丢失问题。

数据丢失：

*. 并发赋值被覆盖： 在 createEntry 方法中，新添加的元素直接放在头部，使元素之后可以被更快访问，但如果两个线程同时执行到此处，会导致其中一个线程的赋值被覆盖。

• 已遍历区间新增元素丢失： 当某个线程在 transfer 方法迁移时，其他线程新增的元素可能落在已遍历过的哈希槽上。遍历完成后，table 数组引用指向了 newTable，新增元素丢失。
• 新表被覆盖： 如果 resize 完成，执行了 table = newTable，则后续元素就可以在新表上进行插入。但如果多线程同时 resize ，每个线程都会 new 一个数组，这是线程内的局部对象，线程之间不可见。迁移完成后resize 的线程会赋值给 table 线程共享变量，可能会覆盖其他线程的操作，在新表中插入的对象都会被丢弃。
• 死循环： 扩容时 resize 调用 transfer 使用头插法迁移元素，虽然 newTable 是局部变量，但原先 table 中的 Entry 链表是共享的，问题根源是 Entry 的 next 指针并发修改，某线程还没有将 table 设为 newTable 时用完了 CPU 时间片，导致数据丢失或死循环。

JDK8 在 resize 方法中完成扩容，并改用尾插法，不会产生死循环，但并发下仍可能丢失数据。
可用 ConcurrentHashMap 或 Collections.synchronizedMap 包装成同步集合。