【Java】HashMap學習筆記

1. 什麼是HashMap

HashMap採用Entry數組來存儲key-value對，每一個鍵值對組成了一個Entry實體，Entry類實際上是一個單向的鏈表結構，它具有Next指針，可以連接下一個Entry實體。 只是在JDK1.8中，鏈表長度大於8的時候，鏈表會轉成紅黑樹！

簡單來說：

• HashMap是一種數據結構，表達得是鍵值對關係
• JDK1.7中：數組+鏈表
  
• JDK1.8中：數組+鏈表+紅黑樹
  

2. 數據結構分析

• 數組是用來確定桶的位置，利用元素的key的hash值對數組長度取模得到，查找效率O(1)；
• 鏈表是用來解決hash衝突問題，當出現hash值一樣的情形，就在數組上的對應位置形成一條鏈表，查找效率O(n)；
• 紅黑樹是用來解決鏈表太長時查找效率低的問題，紅黑樹是平衡二叉樹的一種，查找效率O(log n)。

3. Put和Get過程

Put過程：

• 對key的hashCode()做hash運算，計算index;
• 如果沒碰撞直接放到bucket裏；
• 如果碰撞了，以鏈表的形式存在buckets後；
• 如果碰撞導致鏈表過長(大於等於TREEIFY_THRESHOLD)，就把鏈表轉換成紅黑樹；
• 如果節點已經存在就替換old value(保證key的唯一性)
• 如果bucket滿了(超過loadfactor*current capacity)，就要resize。

簡單來說：按照數組–>鏈表–>紅黑樹–>擴容的順序進行數據插入。

Get過程：

• 對key的hashCode()做hash運算，計算index;
• 如果在bucket裏的第一個節點裏直接命中，則直接返回；
• 如果有衝突，則通過key.equals(k)去查找對應的Entry。

4. 擴容機制

當發生哈希衝突並且size大於閾值（loadfactor*current capacity）的時候，需要進行數組擴容，擴容時，需要新建一個長度爲之前數組2倍的新的數組，然後將當前的Entry數組中的元素全部傳輸過去（按照Put過程進行），擴容後的新數組長度爲之前的2倍，所以擴容相對來說是個耗資源的操作。

爲什麼擴容是2的次冪?

HashMap的數組長度一定保持2的次冪，比如16的二進制表示爲 10000，那麼length-1就是15，二進制爲01111，同理擴容後的數組長度爲32，二進制表示爲100000，length-1爲31，二進制表示爲011111。

• 保證得到的新的數組索引和老數組索引一致
  
• 會使得獲得的數組索引index更加均勻
  
• 使得低位更加散列，任何一位的變化都會對結果產生影響
  
• 減小衝突概率，提高資源利用率
  如果不是2的次冪，也就是低位不是全爲1此時，要使得index=21，h的低位部分不再具有唯一性了，哈希衝突的機率會變的更大，同時，index對應的這個bit位無論如何不會等於1了，而對應的那些數組位置也就被白白浪費了。

5. JAVA HASHMAP的死循環

簡單而言
HashMap不是線程安全的，若是併發的進行ReHash，可能因爲種種巧合，使得在鏈表中出現環形鏈接，一旦進行Get操作，將陷入死循環。以下是來自coolshell的一個例子，詳情請閱讀原文。

正常的ReHash的過程

• 我假設了我們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大小（也就是數組的長度）
• 最上面的是old hash表，其中的Hash表的size=2, 所以key = 3, 7, 5，在mod 2以後都衝突在table[1]這裏了。
• 接下來的三個步驟是Hash表 resize成4，然後所有的<key,value> 重新rehash的過程
  

併發下的Rehash
1）假設我們有兩個線程。而我們的線程二執行完成了。於是我們有下面的這個樣子。

注意，因爲Thread1的 e 指向了key(3)，而next指向了key(7)，其在線程二rehash後，指向了線程二重組後的鏈表。我們可以看到鏈表的順序被反轉後。

2）線程一被調度回來執行。

先是執行 newTalbe[i] = e;
然後是e = next，導致了e指向了key(7)，
而下一次循環的next = e.next導致了next指向了key(3)

3）一切安好。
線程一接着工作。把key(7)摘下來，放到newTable[i]的第一個，然後把e和next往下移。

4）環形鏈接出現。

e.next = newTable[i] 導致 key(3).next 指向了 key(7)

注意：此時的key(7).next 已經指向了key(3)， 環形鏈表就這樣出現了。

於是，當我們的線程一調用到，HashTable.get(11)時，悲劇就出現了——Infinite Loop。

JAVA HASHMAP的死循環
HashMap面試指南
Java集合之一—HashMap