HashMap的底層實現原理

HsahMap的實現原理

簡要概括

• HashMap 基於 Hash 算法實現的，底層是由數組+鏈表/紅黑樹構成的，我們通過 put(key,value)存儲，get(key)來獲取。當傳入 key 時，HashMap 會根據 key. hashCode() 計算出 hash 值，根據 hash 值將 value 保存在 bucket 裏。當計算出的 hash 值相同時，我們稱之爲 hash 衝突，HashMap 的做法是用鏈表和紅黑樹存儲相同 hash 值的 value。當 hash 衝突的個數比較少時，使用鏈表，否則使用紅黑樹。

HashMap的存取實現

• HashMap通過鍵值對實現存取。
• put（）方法：對key做null檢查。如果key是null，會被存儲到table[0]，因爲null的hash值總是0。 key的hashcode()方法會被調用，然後計算hash值。hash值用來找到存儲Entry對象的數組的索引。有時候hash函數可能寫的很不好，所以JDK的設計者添加了另一個叫做hash()的方法，它接收剛纔計算的hash值作爲參數。

 public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    /**
     * Implements Map.put and related methods.
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
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)
            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)
                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)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

• Get（）：對key進行null檢查。如果key是null，table[0]這個位置的元素將被返回。
  key的hashcode()方法被調用，然後計算hash值。indexFor(hash,table.length)用來計算要獲取的Entry對象在table數組中的精確的位置，使用剛纔計算的hash值。在獲取了table數組的索引之後，會迭代鏈表，調用equals()方法檢查key的相等性，如果equals()方法返回true，get方法返回Entry對象的value，否則，返回null。

 public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

    /**
     * Implements Map.get and related methods.
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

補充：

1. HashMap有一個叫做Entry的內部類，它用來存儲key-value對。
2. 上面的Entry對象是存儲在一個叫做table的Entry數組中。
3. table的索引在邏輯上叫做“桶”(bucket)，它存儲了鏈表的第一個元素。
4. key的hashcode()方法用來找到Entry對象所在的桶。
5. 如果兩個key有相同的hash值，他們會被放在table數組的同一個桶裏面。
6. key的equals()方法用來確保key的唯一性。

有關知識的具體解析

一、Map的幾種類型

• Map就是一個值key對應一個value。
• Hashtable（線程安全）和HashMap（非線程安全）在代碼實現上，基本上是一樣的。現在Hashtable已經過時了(小寫的t，因爲sun當時的一個失誤，因爲是JDK1.0的產物，所以不方便改)。
• ConcurrentHashMap也是線程安全的，但性能比HashTable好很多，Hashtable是鎖整個Map對象，而ConcurrentHashMap是鎖Map的部分結構。

二、什麼是哈希表？

• 利用數組尋址容易，但插入和刪除困難。而鏈表是：尋址困難，插入和刪除容易。而哈希表便綜合兩者的特性，是一種尋址容易，插入刪除也容易的數據結構。
• 哈希表有多種不同的實現方法，最常用的方法—— 拉鍊法，可以理解爲“鏈表的數組”
  
• 一個長度爲16的數組中，每個元素存儲的是一個鏈表的頭結點。這些元素是按照什麼樣的規則存儲到數組中呢？一般情況是通過hash(key)%len獲得，也就是元素的key的哈希值對數組長度取模得到。
• 比如上述哈希表中12%16=12 , 28%16=12 , 108%16=12 , 140%16=12。所以12、28、108，140都存儲在數組下標爲12的位置。
• HashMap其實也是一個線性數組（Entry[]）實現的,所以可以理解爲其存儲數據的容器就是一個線性數組。但是一個線性的數組怎麼實現按鍵值對來存取數據呢？這裏HashMap是做了一些處理的。

三、什麼是哈希算法？

• Hash算法雖然被稱爲算法，但實際上它更像是一種思想。Hash算法沒有一個固定的公式，只要符合散列思想的算法都可以被稱爲是Hash算法。
• 哈希（hash）算法又稱爲散列算法，通過hash算法，可以將任意長度的信息轉換成一個固定長度的二進制數據，我們經常會使用十六進制值來表示轉換後的信息。
• 比如，數字123，使用md5的hash算法後，得到十六進制的值：202cb962ac59075b964b07152d234b70
• 哈希算法的特點：
  （1）不同的信息，理論上得到的hash值不同，我們稱之爲“無碰撞”，或者發生“碰撞”的概率非常小。
  （2）不可逆，hash算法是單向的，從hash值反向推導出原始信息是很困難的。所以，有些系統中，我們可以使用hash算法對密碼進行處理後保存。
• 哈希算法的應用
  ①

四、什麼是紅黑樹？

• 二叉樹（BST）：
  ①左子樹結點的值小於等於根節點的值。
  ②右子樹結點的值大於等於根節點的值。
  ③左右子樹分開來也是單獨的二叉樹。
  
• 紅黑樹（RBT）：紅黑樹是一種自平衡的二叉樹，除了符合二叉樹的基本特徵之外還引入了一些附加的條件。
  ①節點是紅色或黑色。
  ②根節點是黑色。
  ③每個葉子節點都是黑色的空節點（NIL節點）。
  ④每個紅色節點的兩個子節點都是黑色。(從每個葉子到根的所有路徑上不能有兩個連續的紅色節點)。
  ⑥從任一節點到其每個葉子的所有路徑都包含相同數目的黑色節點。
  

五、HashMap 和 Hashtable 有什麼區別？

• HashMap是非線程安全的，HashMap是Map的一個實現類，是將鍵映射到值的對象，不允許鍵值重複。允許空鍵和空值；由於非線程安全，HashMap的效率要較 Hashtable 的效率高一些。
• Hashtable 是線程安全的一個集合，不允許 null 值作爲一個 key 值或者value 值。
• Hashtable是sychronized，多個線程訪問時不需要自己爲它的方法實現同步，而HashMap 在被多個線程訪問的時候需要自己爲它的方法實現同步。
• 一般現在不建議用Hashtable：
  ①注意是小寫的t，這是sun公司的一個失誤，但是由於是JDK1.0的產物，所以沒有改
  ②是Hashtable是遺留類，內部實現很多沒優化和冗餘。
  ③即使在多線程環境下，現在也有同步的ConcurrentHashMap替代，沒有必要因爲是多線程而用HashTable。

如何解決hash衝突

產生hash衝突的原因

• 當我們通過put(key, value)向hashmap中添加元素時，需要通過hash函數確定元素究竟應該放置在數組中的哪個位置，因爲不同的元素可能通過hashcode（）計算得到的哈希值相同，那麼不同的元素被放置在了數據的同一個位置時，後放入的元素會以鏈表的形式，插在前一個元素的尾部，這個時候我們稱發生了hash衝突。

解決方法

• 事實上，想讓hash衝突完全不發生，是不太可能的，我們能做的只是儘可能的降低hash衝突發生的概率。
  ①開放定址法
  ②鏈地址法（拉鍊法）
  Java 中 HashMap 解決 Hash 衝突就是利用了這個方法，具體實現這裏暫時不做詳解，可以參考 Jdk HashMap 源碼進行理解。
  ③再哈希法
  ④建立公共溢出區