一文淺析—從面試題連環炮的角度梳理HashMap
你瞭解HashMap的底層數據結構嗎？
對於HashMap的底層數據結構在Java7和Java8中的實現是不同的，在Java7中是採用數組+鏈表的數據結構進行實現，而在Java8中是採用數組+鏈表+紅黑樹的數據結構實現的。
說時遲那時快，剛話說完，從兜裏拿出筆和紙，啪地一聲放在桌子上畫了起來，許久之後，出現了兩幅jdk7和jdk8的HashMap的內部結構圖：
那你清楚HashMap的數據插入原理嗎？
我們來看jdk1.8的put方法
①.判斷鍵值對數組table[i]是否爲空或爲null，爲空就執行resize()進行擴容；
②.根據鍵值key計算hash值得到插入的數組索引i，如果table[i]==null，直接新建節點添加，轉向⑥，如果table[i]不爲空，轉向③；
③.判斷table[i]的首個元素是否和key一樣，如果相同直接覆蓋value，否則轉向④，這裏的相同指的是hashCode以及equals；
④.判斷table[i] 是否爲treeNode，即table[i] 是否是紅黑樹，如果是紅黑樹，則直接在樹中插入鍵值對，否則轉向⑤；
⑤.遍歷table[i]，判斷鏈表長度是否大於8，大於8的話把鏈表轉換爲紅黑樹，在紅黑樹中執行插入操作，否則進行鏈表的插入操作；遍歷過程中若發現key已經存在直接覆蓋value即可；
⑥.插入成功後，判斷實際存在的鍵值對數量size是否超多了最大容量threshold，如果超過，進行擴容
public V put(K key, V value) {
// 對key的hashCode()做hash
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 步驟①：tab爲空則創建
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 步驟②：計算index，並對null做處理
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 步驟③：節點key存在，直接覆蓋value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 步驟④：判斷該鏈爲紅黑樹
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 步驟⑤：該鏈爲鏈表
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key,value,null);
//鏈表長度大於8轉換爲紅黑樹進行處理
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key已經存在直接覆蓋value
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;
// 步驟⑥：超過最大容量 就擴容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
這裏我們對value的覆蓋做一個詳細的解釋 看他是怎麼替換value的 我們截取一部分代碼
作者學這裏的時候 網上的博客質量參差不齊 希望我這裏能給大家說清楚
// 步驟②：計算index，並對null做處理
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
在步驟2這裏 我們計算了index索引 並且把位置i上的Node節點賦值給了p 這裏再次強調 此時的p就是位置i上的Node節點 我們只有看懂了這個p代表什麼 才能繼續往下
// 步驟③：節點key存在，直接覆蓋value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
在步驟3這裏 我們發現要放得元素的hash值和已有的這個節點p的hash值是一樣的 我們進入了這個if裏
將p的值賦給了e 這裏要放的和已有的hash值是一樣的情況 我們暫時用e進行了保存 接下來的else和else if也就不會進入了 代碼直接到了這裏
if (e != null){ // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
這裏就是做了一個value的覆蓋 將oldValue返回 我們自己在調用HashMap的put方法是也會發現 put方法的返回值就是oldValue
這裏 在明確一個事情！！！
// 步驟③：節點key存在，直接覆蓋value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
沒有進入這個if的情況有2種 其一是兩者的hash值根本不等 其二是hash值相等 但是equals方法不等
這裏還是要再次強調！！！
你知道jdk1.8下什麼情況下會擴容嗎？
這裏有兩種情況會發生擴容
第一 超過閾值 就是我們熟悉的超過閾值12時纔會擴容
第二 鏈表轉爲紅黑樹且數組元素小於64時 在jdk1.8中，默認長度爲16情況下，要麼元素一直放在同一下標，鏈表轉爲紅黑樹且數組元素小於64時就會擴容
這第二種情況我們相對來說 不是很熟悉 我們看一下源碼
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
//鏈表轉爲紅黑樹時，若此時數組長度小於64，擴容數組
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
...//省略
}
}
也就是說我們在去完善一下 當數組的某一個索引位置上的元素以鏈表的形式存在>8 並且數組長度大於64時 此時索引位置上的所有數據改成紅黑樹存儲 如果數組長度小於64 他是在擴容數組啊
這裏可得千萬注意 不要跟作者一樣 作者當年以爲當元素>8就轉紅黑樹了 這裏看還是太年輕了 留下了不學無術的淚水
你來聊一下jdk1.7爲什麼會發生死循環吧
假設：有線程A和線程B，併發訪問HashMap中的數據。假設HashMap的長度爲2(這裏只是爲了講解方便假設長度爲2)，鏈表的結構圖如下所示：
4和8都位於同一條鏈表上，其中的threshold爲1，現在線程A和線程B都要進行put操作，首先線程A進行插入值。
此時，線程A執行到transfer函數中（transfer函數是resize擴容方法中調用的另一個方法），當執行（1）位置的時候，如下所示：
/**
* Transfers all entries from current table to newTable.
*/
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next; ---------------------(1)
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} // while
}
}
此時線程A掛起，在此時在線程A的棧中就會存在如下值：
e = 4
next = 8
此時線程B執行put的操作，並發現在進行put操作的時候需要擴容，當線程B執行 transfer函數中的while循環，即會把原來的table變成新一table（線程B自己的棧中），再寫入到內存中。
執行的過程如下圖所示
特別注意一個關鍵點
我們看這行代碼
e.next = newTable[i];
我們想說明一個這樣的一個問題 線程B對8這個節點進行操作的時候 e的next指向了新table
也就是說此時線程B
8.next=4;
也就是上圖中8指向了4
我們在往下繼續
此時線程A有獲取到cpu的執行時間，接着執行（但是線程A中的數據仍是舊錶數據），即從transfer代碼（1）處接着執行，當前線程A的 e = 4, next = 8, 上面已經描述，執行的的過程若下圖所示：
當操作完成，執行查找時，會陷入死循環!
這裏我們插一句題外話
爲啥線程A的數據仍然是舊錶的數據啊？這塊應該跟我們的JVM有關係
在Java虛擬機棧當中 每個線程在創建的時候都會創建一個虛擬機棧 棧中保存了我們的基本數據類型和引用類型還有局部變量 上述e和next就作爲局部變量保在了每一個線程所私有的棧當中 所以線程A的數據仍然是舊值（只有堆和方法區的數據會被所有線程所共享）
那jdk1.8換了尾插法就是線程安全的了嗎？
此時 一口老血吐了出來 併發出了（老子不幹了）這樣的小聲嗶嗶
回答是 ：不是
即是是解決了死循環的問題 那HashMap在1.8依然是線程不安全的 我們看下他的原因
如果線程A和線程B同時進行put操作，剛好這兩條不同的數據hash值一樣，並且該位置數據爲null，所以這線程A、B都會開始操作。假設一種情況，線程A進入後還未進行數據插入時掛起，而線程B正常執行，從而正常插入數據，然後線程A獲取CPU時間片，此時線程A不用再進行hash判斷了，問題出現：線程A會把線程B插入的數據給覆蓋，發生線程不安全。
總結一下
HashMap是線程不安全的，其主要體現：
#1.在jdk1.7中，在多線程環境下，擴容時會造成環形鏈表。
#2.在jdk1.8中，在多線程環境下，會發生數據覆蓋的情況。
你來說一下怎麼計算元素的索引位置吧（Hash函數怎麼計算啊）
Hash算法本質上就是三步：取key的hashCode值、高位運算、取模運算
高位運算：
給大家科普 這裏用到了異或 就是^東西 這個東西的規則就是 兩個數不一樣就是1 一樣就是0
在JDK1.8的實現中，優化了高位運算的算法，通過hashCode()的高16位異或低16位實現的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是從速度、功效、質量來考慮的，這麼做可以在數組table的length比較小的時候，也能保證考慮到高低Bit都參與到Hash的計算中，同時不會有太大的開銷。
取模運算
（這裏並不是用了取模運算 而是用了&來優化他的速度）
這個方法非常巧妙，它通過h & (table.length -1)來得到該對象的保存位，而HashMap底層數組的長度總是2的n次方，這是HashMap在速度上的優化。當length總是2的n次方時，h& (length-1)運算等價於對length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
關於HashMap以上只可能是冰山一角 由HashMap可以牽扯的東西是在太多了 既可以涉及到底層的數據結構 爲啥加入了紅黑樹（你要了解紅黑樹 就得先懂二叉樹 排序樹 平衡樹 各種樹…）紅黑樹相比較以前會有那些優化 又可以聊到線程安全問題 這時候syn和lock這些就要來了 一個HashMap引出了太多的問題需要我們去解決 恰恰給了面試官可乘之機 （面試官爲就可以有這麼令人髮指的深度和廣度）…
其實 最近越來越感覺學習並不是最難的東西 學習是一個面對困難和挑戰的過程
我們要學習的應該不是學習知識本身 而是要在學習中培養解決困難的能力 培養堅持的品格
用這些品質和心性去樂觀的面對生活 解決隨着年齡增加 殘酷真實的社會所帶給我們的挑戰 去學着儘量熱愛生活！！
以上就是我一個人的瞎話 大家看了也就散了
關於他的好兄弟ConcurrentHashMap 應該會有一篇的 看看我的好兄弟pdd-jason能不能先寫出來
本文參考 公衆號 非科班的科班
https://mp.weixin.qq.com/s/ezfFFf8ZfT0y6JszehNenA
同時 推薦大家看一下宋紅康老師關於HashMap的講解視頻
https://www.bilibili.com/video/BV1Qb411g7cz?p=549
溜了！