? ? ? ? 大家好，我是IT修真院北京分院第31期的學員，一枚正直純潔善良的JAVA程序員。今天給大家分享一下，HashMap jdk1.8版 特性講解.
1.背景介紹
什么是HASHMAP?
HashMap是基于哈希表的Map接口的實現,存儲的是鍵值對,并允許使用null鍵和null值.HashMap是非Synchronized,即是線程不安全的.如何要滿足線程安全可以使用ConcurrentHashMap.HashMap根據鍵的hashCode值存儲數據,大多數情況下可以直接定位到它的值,因而具有很快的訪問速度,但遍歷順序是不確定的.
哈希表及MAP接口
哈希表(也叫散列表),是根據關鍵碼值(key value)而直接進行訪問的數據結構.
也就是說,它通過把關鍵碼值(key value)映射到表中一個位置來訪問記錄,以加快查找的速度.這個映射函數叫做散列函數,存放記錄的數組叫做散列表.
Map主要用于存儲鍵值對.Map的三個特點:1,包含鍵值對;2,鍵唯一;3,鍵對應的值唯一.Map還提供了3個集合視圖,分別是一組鍵值對,一組鍵,一組值.
MAP接口主要常用的實現類
Map接口主要有四個常用的實用類,分別是HashMap,Hashtable,LinkedHashMap和TreeMap.類繼承關系如下圖所示:
HASHTABLE
Hashtable是遺留類,很多映射的常用功能與HashMap類似,不同的是它繼承自Dictionary類,并且是線程安全的,任一時間只有一個線程能寫Hashtable.Hashtable不建議在新代碼中使用,不需要線程安全的場合可以用HashMap替換,需要線程安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換.
哈希表及Map接口 哈希表(也叫散列表),是根據關鍵碼值(key value)而直接進行訪問的數據結構. 也就是說,它通過把關鍵碼值(key value)映射到表中一個位置來訪問記錄,以加快查找的速度.這個映射函數叫做散列函數,存放記錄的數組叫做散列表. Map主要用于存儲鍵值對.Map的三個特點:1,包含鍵值對;2,鍵唯一;3,鍵對應的值唯一.Map還提供了3個集合視圖,分別是一組鍵值對,一組鍵,一組值.
MAP接口主要常用的實現類
Map接口主要有四個常用的實用類,分別是HashMap,Hashtable,LinkedHashMap和TreeMap.類繼承關系如下圖所示:
HASHTABLE
Hashtable是遺留類,很多映射的常用功能與HashMap類似,不同的是它繼承自Dictionary類,并且是線程安全的,任一時間只有一個線程能寫Hashtable.Hashtable不建議在新代碼中使用,不需要線程安全的場合可以用HashMap替換,需要線程安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換.
LINKEDHASHMAP
LinkedHashMap是HashMap的一個子類,保存了記錄的插入順序,在用Iterator遍歷LinkedHashMap時,先得到的記錄肯定是先插入的,也可以在構造時帶參數,按照訪問次序排序.
Map接口主要常用的實現類 Map接口主要有四個常用的實用類,分別是HashMap,Hashtable,LinkedHashMap和TreeMap.類繼承關系如下圖所示:
HASHTABLE
Hashtable是遺留類,很多映射的常用功能與HashMap類似,不同的是它繼承自Dictionary類,并且是線程安全的,任一時間只有一個線程能寫Hashtable.Hashtable不建議在新代碼中使用,不需要線程安全的場合可以用HashMap替換,需要線程安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換.
LINKEDHASHMAP
LinkedHashMap是HashMap的一個子類,保存了記錄的插入順序,在用Iterator遍歷LinkedHashMap時,先得到的記錄肯定是先插入的,也可以在構造時帶參數,按照訪問次序排序.
TREEMAP
TreeMap實現SortedMap接口，能夠把它保存的記錄根據鍵排序，默認是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，當用Iterator遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。如果使用排序的映射，建議使用TreeMap。在使用TreeMap時，key必須實現Comparable接口或者在構造TreeMap傳入自定義的Comparator，否則會在運行時拋出java.lang.ClassCastException類型的異常。
Hashtable Hashtable是遺留類,很多映射的常用功能與HashMap類似,不同的是它繼承自Dictionary類,并且是線程安全的,任一時間只有一個線程能寫Hashtable.Hashtable不建議在新代碼中使用,不需要線程安全的場合可以用HashMap替換,需要線程安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換.
2.知識剖析
JAVA 8系列之重新認識HASHMAP
Java1.8對HashMap底層的實現進行了優化,例如紅黑樹的數據結構和擴容的優化等,接下來我們將深入探討HashMap 的結構實現和功能原理.
結構實現
從結構實現來講,HashMap是數組+鏈表+紅黑樹(JDK1.8增加了紅黑樹部分)實現的,如下圖所示.?
這里需要講明白兩個問題:數據底層具體存儲的是什么?這樣的存儲方法有什么優點?
(1)HashMap類中有一個非常重要的字段,就是Node[]table,即哈希桶數組,明顯它是一個Node的數組.Node就是HashMap的一個內部類,實現了Map.Entry接口,本質就是一個映射(鍵值對).
(2)HashMap就是使用哈希表來存儲的.在上面已經介紹了鍵值對是通過散列函數(哈希函數)映射到哈希表的地址上的,而所有的散列函數都有如下一個基本特征:根據同一散列函數計算出來的散列值不同,那么輸入的信息肯定也不同.但是,根據同一散列函數計算出的散列值如果相同,輸入值不一定相同.
這句話的意思就是輸入不同的兩個值可能得到一樣的散列值.這種現象叫做碰撞.Java中HashMap為了解決沖突采用鏈表地址法.鏈表地址法:將哈希表的每個單元作為鏈表的頭結點，所有哈希地址為i的元素構成一個同義詞鏈表。即發生沖突時就把該關鍵字鏈在以該單元為頭結點的鏈表的尾部。
舉個例子,例如程序執行下面的代碼:map.put("美團","小小");系統將調用"美團"這個key的hashCode()方法得到其hashCode 值（該方法適用于每個Java對象），然后再通過Hash算法的后兩步運算（高位運算和取模運算，下文有介紹）來定位該鍵值對的存儲位置，有時兩個key會定位到相同的位置，表示發生了Hash碰撞。當然Hash算法計算結果越分散均勻，Hash碰撞的概率就越小。如果哈希桶數組很大，即使較差的Hash算法也會比較分散，所以就需要在空間成本和時間成本之間權衡.那么通過什么方式來控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶數組（Node[] table）占用空間又少呢？答案就是好的Hash算法和擴容機制。
在理解Hash和擴容流程之前，我們得先了解下HashMap的幾個字段。從HashMap的默認構造函數源碼可知，構造函數就是對下面幾個字段進行初始化，源碼如下： int threshold; // 所能容納的key-value對極限 final float loadFactor; // 負載因子 int modCount; int size;
首先，Node[] table的初始化長度length(默認值是16)，Loadfactor為負載因子(默認值是0.75)，threshold是HashMap所能容納的最大數據量的Node(鍵值對)個數。threshold = length * Load factor。也就是說，在數組定義好長度之后，負載因子越大，所能容納的鍵值對個數越多。結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此Load factor和length(數組長度)對應下允許的最大元素數目，超過這個數目 就重新resize(擴容)，擴容后的HashMap容量是之前容量的兩倍。
舉個例子,例如程序執行下面的代碼:map.put("美團","小小");系統將調用"美團"這個key的hashCode()方法得到其hashCode 值（該方法適用于每個Java對象），然后再通過Hash算法的后兩步運算（高位運算和取模運算，下文有介紹）來定位該鍵值對的存儲位置，有時兩個key會定位到相同的位置，表示發生了Hash碰撞。當然Hash算法計算結果越分散均勻，Hash碰撞的概率就越小。如果哈希桶數組很大，即使較差的Hash算法也會比較分散，所以就需要在空間成本和時間成本之間權衡.那么通過什么方式來控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶數組（Node[] table）占用空間又少呢？答案就是好的Hash算法和擴容機制。
在理解Hash和擴容流程之前，我們得先了解下HashMap的幾個字段。從HashMap的默認構造函數源碼可知，構造函數就是對下面幾個字段進行初始化，源碼如下： int threshold; // 所能容納的key-value對極限 final float loadFactor; // 負載因子 int modCount; int size;
首先，Node[] table的初始化長度length(默認值是16)，Loadfactor為負載因子(默認值是0.75)，threshold是HashMap所能容納的最大數據量的Node(鍵值對)個數。threshold = length * Load factor。也就是說，在數組定義好長度之后，負載因子越大，所能容納的鍵值對個數越多。結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此Load factor和length(數組長度)對應下允許的最大元素數目，超過這個數目 就重新resize(擴容)，擴容后的HashMap容量是之前容量的兩倍。
默認的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇，建議大家不要修改，除非在時間和空間比較特殊的情況下，如果內存空間很多而又對時間效率要求很高，可以降低負載因子Load factor的值；相反，如果內存空間緊張而對時間效率要求不高，可以增加負載因子loadFactor的值，這個值可以大于1。
size這個字段其實很好理解，就是HashMap中實際存在的鍵值對數量。modCount字段主要用來記錄HashMap內部結構發生變化的次數，例如put新鍵值對，但是某個key對應的value值被覆蓋不屬于結構變化。在HashMap中，哈希桶數組table的長度length大小必須為2的n次方(一定是合數)，HashMap采用這種非常規設計，主要是為了在取模和擴容時做優化，同時為了減少沖突，HashMap定位哈希桶索引位置時，也加入了高位參與運算的過程。
這里存在一個問題，即使負載因子和Hash算法設計的再合理，也免不了會出現拉鏈過長的情況，一旦出現拉鏈過長，則會嚴重影響HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，對數據結構做了進一步的優化，引入了紅黑樹。而當鏈表長度太長（默認超過8）時，鏈表就轉換為紅黑樹，利用紅黑樹快速增刪改查的特點提高HashMap的性能.
功能實現-方法
接下來我將結合HashCode的源碼來為大家講解以下三個具有代表性的功能點:
1, 確定哈希桶數組索引位置; 2, 分析HashMap的put方法; 3,擴容機制.
size這個字段其實很好理解，就是HashMap中實際存在的鍵值對數量。modCount字段主要用來記錄HashMap內部結構發生變化的次數，例如put新鍵值對，但是某個key對應的value值被覆蓋不屬于結構變化。在HashMap中，哈希桶數組table的長度length大小必須為2的n次方(一定是合數)，HashMap采用這種非常規設計，主要是為了在取模和擴容時做優化，同時為了減少沖突，HashMap定位哈希桶索引位置時，也加入了高位參與運算的過程。
這里存在一個問題，即使負載因子和Hash算法設計的再合理，也免不了會出現拉鏈過長的情況，一旦出現拉鏈過長，則會嚴重影響HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，對數據結構做了進一步的優化，引入了紅黑樹。而當鏈表長度太長（默認超過8）時，鏈表就轉換為紅黑樹，利用紅黑樹快速增刪改查的特點提高HashMap的性能.
3.編碼實戰
4.常見問題
一,為什么STRING, INTERGER這樣的WRAPPER類適合作為鍵？
String, Interger這樣的wrapper類作為HashMap的鍵是再適合不過了，而且String最為常用。因為String是不可變的，也是final的，而且已經重寫了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper類也有這個特點。不可變性是必要的，因為為了要計算hashCode()，就要防止鍵值改變，如果鍵值在放入時和獲取時返回不同的hashcode的話，那么就不能從HashMap中找到你想要的對象。因為獲取對象的時候要用到equals()和hashCode()方法，那么鍵對象正確的重寫這兩個方法是非常重要的。如果兩個不相等的對象返回不同的hashcode的話，那么碰撞的幾率就會小些，這樣就能提高HashMap的性能。
二,我們可以使用自定義的對象作為鍵嗎？
這是前一個問題的延伸。當然你可能使用任何對象作為鍵，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定義規則，并且當對象插入到Map中之后將不會再改變了。如果這個自定義對象時不可變的，那么它已經滿足了作為鍵的條件，因為當它創建之后就已經不能改變了。
三,我們可以使用COCURRENTHASHMAP來代替HASHTABLE嗎？
這是另外一個很熱門的面試題，因為ConcurrentHashMap越來越多人用了。我們知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因為它僅僅根據同步級別對map的一部分進行上鎖。ConcurrentHashMap當然可以代替HashTable，但是HashTable提供更強的線程安全性。
5.參考文獻
https://blog.csdn.net/abcdad/article/details/64123291
https://zhuanlan.zhihu.com/p/21673805
https://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/6105630
6.更多討論
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