java8中的HashMap
简介：
HashMap：
具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。
HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。
HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap，可能会导致数据的不一致。
HashMap的线程不安全主要体现在resize时的死循环及使用迭代器时的fast-fail上。
如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。
Hashtable：
Hashtable是遗留类，与HashMap类似，不同的是它承自Dictionary类，并且是线程安全的。
并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。
Hashtable不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。
LinkedHashMap：
LinkedHashMap是HashMap的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。
TreeMap：
TreeMap实现SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，
当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。如果使用排序的映射，建议使用TreeMap。
存储结构：
位桶数组：
transient Node<k,v>[] table;
数组元素Node<K,V>：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; //用来定位数组索引位置 final K key; V value; Node<K,V> next; //链表的下一个node Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... } public final K getKey(){ ... } public final V getValue() { ... } public final String toString() { ... } public final int hashCode() { ... } public final V setValue(V newValue) { ... } public final boolean equals(Object o) { ... } }
hash冲突：
开放地址法：Hi=(H(key)+di) MOD m i=1,2,…,k(k<=m-1)，m为哈希表的表长。di 是产生冲突的时候的增量序列。
如果di取1，则每次冲突之后，向后移动1个位置。
如果di值可能为1,2,3,…m-1，称线性探测再散列。
如果di取值可能为1,-1,2,-2,4,-4,9,-9,16,-16,…k*k,-k*k(k<=m/2)，称二次探测再散列。
如果di取值可能为伪随机数列。称伪随机探测再散列。
链地址法：讲冲突的对象链在同一链表中。
再哈希法：当发生冲突时，使用第二个、第三个、哈希函数计算地址，直到无冲突时。
建立一个公共溢出区：就是把冲突的都放在另一个地方，不在表里面。
Java中HashMap采用了链地址法。
在每个数组元素上都有一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。
数据域：
public class HashMap<k,v> extends AbstractMap<k,v> implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable { private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//填充比 //当add一个元素到某个位桶，其链表长度达到8时将链表转换为红黑树 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; transient Node<k,v>[] table;//存储元素的数组 transient Set<map.entry<k,v>> entrySet; transient int size;//存放元素的个数 transient int modCount;//被修改的次数fast-fail机制 int threshold;//临界值 当实际大小(容量*填充比)超过临界值时，会进行扩容 final float loadFactor;//填充比（......后面略）
Node<k,v>[] table的初始化长度length(默认值是16)。
length大小必须为2的n次方，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突。可以用hash&（len-1）的方式代替hash%len。
Load factor：为负载因子(默认值是0.75)。
threshold：是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数。threshold = length * Load factor。
size：是HashMap中实际存在的键值对数量。
modCount：主要用来记录HashMap内部结构发生变化的次数，用于迭代的快速失败。（覆盖值不属于结构变化）
确定索引位置：
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
Hash算法本质上就是三步：取key的hashCode值、高位运算、取模运算。
高位运算：通过hashCode()的高16位异或低16位实现
它通过h & (table.length -1)来得到该对象的保存位，而HashMap底层数组的长度总是2的n次方，这是HashMap在速度上的优化。
当length总是2的n次方时，h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
put方法：
1 public V put(K key, V value) { 2 return putVal(hash(key), key, value, false, true); 3 } 4 5 // 第三个参数 onlyIfAbsent 如果是 true，那么只有在不存在该 key 时才会进行 put 操作 6 // 第四个参数 evict 我们这里不关心 7 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 8 boolean evict) { 9 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; 10 // 第一次 put 值的时候，会触发下面的 resize()，类似 java7 的第一次 put 也要初始化数组长度 11 // 第一次 resize 和后续的扩容有些不一样，因为这次是数组从 null 初始化到默认的 16 或自定义的初始容量 12 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 13 n = (tab = resize()).length; 14 // 找到具体的数组下标，如果此位置没有值，那么直接初始化一下 Node 并放置在这个位置就可以了 15 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 16 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 17 18 else {// 数组该位置有数据 19 Node<K,V> e; K k; 20 // 首先，判断该位置的第一个数据和我们要插入的数据，key 是不是"相等"，如果是，取出这个节点 21 if (p.hash == hash && 22 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 23 e = p; 24 // 如果该节点是代表红黑树的节点，调用红黑树的插值方法，本文不展开说红黑树 25 else if (p instanceof TreeNode) 26 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 27 else { 28 // 到这里，说明数组该位置上是一个链表 29 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 30 // 插入到链表的最后面(Java7 是插入到链表的最前面) 31 if ((e = p.next) == null) { 32 p.next = newNode(hash, key, value, null); 33 // TREEIFY_THRESHOLD 为 8，所以，如果新插入的值是链表中的第 9 个 34 // 会触发下面的 treeifyBin，也就是将链表转换为红黑树 35 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 36 treeifyBin(tab, hash); 37 break; 38 } 39 // 如果在该链表中找到了"相等"的 key(== 或 equals) 40 if (e.hash == hash && 41 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 42 // 此时 break，那么 e 为链表中[与要插入的新值的 key "相等"]的 node 43 break; 44 p = e; 45 } 46 } 47 // e!=null 说明存在旧值的key与要插入的key"相等" 48 // 对于我们分析的put操作，下面这个 if 其实就是进行 "值覆盖"，然后返回旧值 49 if (e != null) { 50 V oldValue = e.value; 51 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 52 e.value = value; 53 afterNodeAccess(e); 54 return oldValue; 55 } 56 } 57 ++modCount; 58 // 如果 HashMap 由于新插入这个值导致 size 已经超过了阈值，需要进行扩容 59 if (++size > threshold) 60 resize(); 61 afterNodeInsertion(evict); 62 return null; 63 }
java7中，新节点插入到链表头部，而java8是插入到链表尾部。
Java7是先扩容后插入新值的，Java8 先插值再扩容。
扩容机制：
jdk1.7代码：
1 void resize(int newCapacity) { //传入新的容量 2 Entry[] oldTable = table; //引用扩容前的Entry数组 3 int oldCapacity = oldTable.length; 4 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了 5 threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了 6 return; 7 } 8 9 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //初始化一个新的Entry数组 10 transfer(newTable); //！！将数据转移到新的Entry数组里 11 table = newTable; //HashMap的table属性引用新的Entry数组 12 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改阈值 13 }
1 void transfer(Entry[] newTable) { 2 Entry[] src = table; //src引用了旧的Entry数组 3 int newCapacity = newTable.length; 4 for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍历旧的Entry数组 5 Entry<K,V> e = src[j]; //取得旧Entry数组的每个元素 6 if (e != null) { 7 src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象） 8 do { 9 Entry<K,V> next = e.next; 10 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新计算每个元素在数组中的位置 11 e.next = newTable[i]; //标记[1] 12 newTable[i] = e; //将元素放在数组上 13 e = next; //访问下一个Entry链上的元素 14 } while (e != null); 15 } 16 } 17 }
newTable[i]的引用赋给了e.next，也就是使用了单链表的头插入方式，同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置；
这样先放在一个索引上的元素终会被放到Entry链的尾部(如果发生了hash冲突的话），这一点和Jdk1.8有区别
1.7在并发情况下resize，可能会形成循环链表。
Jdk1.8所做的优化：
我们使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍)，所以，元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置。
元素在重新计算hash之后，因为n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色)，因此新的index就会发生这样的变化：
因此，我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，
是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap（扩容前的容量）”，可以看看下图为16扩充为32的resize示意图：
1.8的优化，省去了hash的时间，而且扩容后，元素的顺序不会变，1.7由于用的头插法所以会倒置
jdk1.8的代码：
1 final Node<K,V>[] resize() { 2 Node<K,V>[] oldTab = table; 3 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; 4 int oldThr = threshold; 5 int newCap, newThr = 0; 6 if (oldCap > 0) { 7 // 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧 8 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 9 threshold = Integer.MAX_VALUE; 10 return oldTab; 11 } 12 // 没超过最大值，就扩充为原来的2倍 13 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && 14 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) 15 newThr = oldThr << 1; // double threshold 16 } 17 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold 18 newCap = oldThr; 19 else { // zero initial threshold signifies using defaults 20 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; 21 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); 22 } 23 // 计算新的resize上限 24 if (newThr == 0) { 25 26 float ft = (float)newCap * loadFactor; 27 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? 28 (int)ft : Integer.MAX_VALUE); 29 } 30 threshold = newThr; 31 @SuppressWarnings({"rawtypes"，"unchecked"}) 32 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; 33 table = newTab; 34 if (oldTab != null) { 35 // 把每个bucket都移动到新的buckets中 36 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 37 Node<K,V> e; 38 if ((e = oldTab[j]) != null) { 39 oldTab[j] = null; 40 if (e.next == null) 41 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; 42 else if (e instanceof TreeNode) 43 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); 44 else { // 链表优化重hash的代码块 45 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; 46 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; 47 Node<K,V> next; 48 do { 49 next = e.next; 50 // 原索引 51 if ((e.hash & oldCap) == 0) { 52 if (loTail == null) 53 loHead = e; 54 else 55 loTail.next = e; 56 loTail = e; 57 } 58 // 原索引+oldCap 59 else { 60 if (hiTail == null) 61 hiHead = e; 62 else 63 hiTail.next = e; 64 hiTail = e; 65 } 66 } while ((e = next) != null); 67 // 原索引放到bucket里 68 if (loTail != null) { 69 loTail.next = null; 70 newTab[j] = loHead; 71 } 72 // 原索引+oldCap放到bucket里 73 if (hiTail != null) { 74 hiTail.next = null; 75 newTab[j + oldCap] = hiHead; 76 } 77 } 78 } 79 } 80 } 81 return newTab; 82 }
小结：
扩容是一个特别耗性能的操作，所以当程序员在使用HashMap的时候，估算map的大小，初始化的时候给一个大致的数值，避免map进行频繁的扩容。
负载因子是可以修改的，也可以大于1，但是建议不要轻易修改，除非情况非常特殊。
HashMap是线程不安全的，不要在并发的环境中同时操作HashMap，建议使用ConcurrentHashMap。
JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能。
参考：https://tech.meituan.com/java-hashmap.html
