Java集合，HashMap底层实现和原理

概述

　　首先在基于JDK1.7进行分析，对于JDK1.8所做的改动也会在文章中逐步进行说明。

　　HashMap基于Map接口实现，元素以键值对的方式存储，并且允许使用null建和null值，因为key不允许重复，因此只能有一个键为null,另外HashMap不能保证放入元素的顺序，它是无序的，和放入的顺序并不能相同。HashMap是线程不安全的。

数据结构

　　在HashMap的数据结构用到了链表，我们先回顾一下链表的相关知识。

什么是链表

　　链表是由一系列非连续的节点组成的存储结构，简单分下类的话，链表又分为单向链表和双向链表，而单向/双向链表又可以分为循环链表和非循环链表，下面简单就这四种链表进行图解说明。

1.单向链表

　　单向链表就是通过每个结点的指针指向下一个结点从而链接起来的结构，最后一个节点的next指向null。

　　

2.单向循环链表

　　单向循环链表和单向列表的不同是，最后一个节点的next不是指向null，而是指向head节点，形成一个“环”。

　　

3.双向链表

　　从名字就可以看出，双向链表是包含两个指针的，pre指向前一个节点，next指向后一个节点，但是第一个节点head的pre指向null，最后一个节点的tail指向null。

　　

4.双向循环链表

　　双向循环链表和双向链表的不同在于，第一个节点的pre指向最后一个节点，最后一个节点的next指向第一个节点，也形成一个“环”。而LinkedList就是基于双向循环链表设计的。

　　

 

 

　　HashMap总体存储结构如下图所示。

 

 

 

 

　　HashMap采用Entry数组来存储key-value对，每一个键值对组成了一个Entry实体，Entry类实际上是一个单向的链表结构，它具有Next指针，可以连接下一个Entry实体，依次来解决Hash冲突的问题，因为HashMap是按照Key的hash值来计算Entry在HashMap中存储的位置的，如果hash值相同，而key内容不相等，那么就用链表来解决这种hash冲突。

下面我们对它的源码进行总体的解析：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上面这么长的代码，看起来真的很头疼，不过没关系，我们只需要关注几个重点的方法就行了，其他的方法如果有兴趣在下来研究它。

构造方法

 

 

 

　　HashMap提供了四个构造方法，构造方法中 ，依靠第三个方法来执行的，但是前三个方法都没有进行数组的初始化操作，即使调用了构造方法，此时存放HaspMap中数组元素的table表长度依旧为0 。在第四个构造方法中调用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作，并将m中的元素添加到HashMap中。

添加方法

 

 

　　在该方法中，添加键值对时，首先进行table是否初始化的判断，如果没有进行初始化（分配空间，Entry[]数组的长度）。然后进行key是否为null的判断，如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置，判断该位置上是否已有元素，如果已经有元素存在，则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。判断key是否存在，如果key已经存在，则用新的value值，替换点旧的value值，并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中，程序继续向下执行。将key-vlaue, 生成Entry实体，添加到HashMap中的Entry[]数组中。

addEntry()

 

 

　　添加方法的具体操作，在添加之前先进行容量的判断，如果当前容量达到了阈值，并且需要存储到Entry[]数组中，先进行扩容操作，扩充的容量为table长度的2倍。重新计算hash值，和数组存储的位置，扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。

在JDK 1.8之前，新插入的元素都是放在了链表的头部位置，但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁，所以JDK 1.8之后，新插入的元素都放在了链表的尾部。

获取方法

 

 

　　在get方法中，首先计算hash值，然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置，得到该位置的单链表，遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry，返回entry.value值。

删除方法

 

 

　　删除操作，先计算指定key的hash值，然后计算出table中的存储位置，判断当前位置是否Entry实体存在，如果没有直接返回，若当前位置有Entry实体存在，则开始遍历列表。定义了三个Entry引用，分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中，首先判断pre 和 e 是否相等，若相等表明，table的当前位置只有一个元素，直接将table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的连接关系，判断e的key是否和指定的key 相等，若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

JDK 1.8的 改变

　　在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了一些改变，但是基本思想还是没有变得，只是在一些地方做了优化，下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式，变化为数组+链表+红黑树的存储方式，在性能上进一步得到提升。

　　数据存储方式如下图所示：

　　

put方法简单解析

 

 

 

 

 

 

 

总结

HashMap采用hash算法来决定Map中key的存储，并通过hash算法来增加集合的大小。

hash表里可以存储元素的位置称为桶（bucket），如果通过key计算hash值发生冲突时，那么将采用链表的形式，来存储元素。

HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务，所以如果能估算Map的容量，最好给它一个默认初始值，避免进行多次扩容。

HashMap的线程是不安全的，多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

1、实现原理

HashMap是基于hashing的原理，我们使用put(key, value)存储对象到HashMap中，使用get(key)从HashMap中获取对象。

当我们给put(key, value)方法传递键和值时，它先调用key.hashCode()方法，返回的hashCode值，用于找到bucket位置，来储存Entry对象。

Map提供了一些常用方法，如keySet()、entrySet()等方法。

keySet()方法返回值是Map中key值的集合；entrySet()的返回值也是返回一个Set集合，此集合的类型为Map.Entry。

“如果两个key的hashcode相同，你如何获取值对象？”答案：当我们调用get(key)方法，HashMap会使用key的hashcode值，找到bucket位置，然后获取值对象。

“如果有两个值对象，储存在同一个bucket ？”答案：将会遍历链表直到找到值对象。

“这时会问因为你并没有值对象去比较，你是如何确定确定找到值对象的？”答案：找到bucket位置之后，会调用keys.equals()方法，去找到链表中正确的节点，最终找到要找的值对象。

2、底层的数据结构

　　HashMap的底层主要是基于数组和链表来实现的，它之所以有相当快的查询速度主要是因为它是通过计算散列码来决定存储的位置。

HashMap中主要是通过key的hashCode来计算hash值的，只要hashCode相同，计算出来的hash值就一样。

如果存储的对象对多了，就有可能不同的对象所算出来的hash值是相同的，这就出现了所谓的hash冲突。

学过数据结构的同学都知道，解决hash冲突的方法有很多，HashMap底层是通过链表来解决hash冲突的。

3、补充知识：

HashMap是基于哈希表的 Map 接口的实现。

此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。（除了非同步和允许使用 null 之外，HashMap 类与 Hashtable 大致相同。）

此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

值得注意的是HashMap不是线程安全的，如果想要线程安全的HashMap，可以通过Collections类的静态方法synchronizedMap获得线程安全的HashMap。

Map map = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

HashMap结合了ArrayList与LinkedList两个实现的优点，虽然HashMap并不会向List的两种实现那样，在某项操作上性能较高，但是在基本操作（get 和 put）上具有稳定的性能。

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作者：naaman