java集合類HashMap源碼解析
Map集合存儲的是鍵值對
Map集合的實現類：
HashTable、LinkedHashMap、HashMap、TreeMap
HashMap基礎了解：
1、鍵不可以重復，值可以重復；
2、底層使用哈希表實現；
3、線程不安全；
4、允許key為null，但只允許有一條記錄為null，value也可以為null，允許多條記錄為null；
源碼分析（一）以JDK1.7為例
1、存儲結構
數據結構：數組+鏈表
首先hashmap內部有一個Entry類型的數組table；
通過Entry<K,V> 知道table數組每一個節點，存儲的元素是鍵值對；
再通過字段next知道，每一個節點當出現哈希沖突的時候，會通過鏈表的形式將哈希值相同的節點放在同一個桶內；
四個字段：K，V，next，hash；
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; int hash; Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {value = v;next = n;key = k;hash = h; } public final K getKey() {return key; } public final V getValue() {return value; } public final V setValue(V newValue) {V oldValue = value;value = newValue;return oldValue; } public final boolean equals(Object o) {if (!(o instanceof Map.Entry)) return false;Map.Entry e = (Map.Entry)o;Object k1 = getKey();Object k2 = e.getKey();if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) { Object v1 = getValue(); Object v2 = e.getValue(); if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))return true;}return false; } public final int hashCode() {return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue()); } public final String toString() {return getKey() + '=' + getValue(); }}2、拉鏈法的工作原理
HashMap<String, String> map = new HashMap<>();map.put('K1', 'V1');map.put('K2', 'V2');map.put('K3', 'V3');
新建一個 HashMap，默認大小為 16；
插入 <K1,V1> 鍵值對，先計算 K1 的 hashCode 為 115，使用除留余數法得到所在的桶下標 115%16=3。
插入 <K2,V2> 鍵值對，先計算 K2 的 hashCode 為 118，使用除留余數法得到所在的桶下標 118%16=6。
插入 <K3,V3> 鍵值對，先計算 K3 的 hashCode 為 118，使用除留余數法得到所在的桶下標 118%16=6，插在 <K2,V2> 前面。
應該注意到鏈表的插入是以頭插法方式進行的，例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 后面，而是插入在鏈表頭部。
查找需要分成兩步進行：
計算鍵值對所在的桶；
在鏈表上順序查找，時間復雜度顯然和鏈表的長度成正比
put方法調用
1.調用hash函數得到key的HashCode值
2.通過HashCode值與數組長度-1邏輯與運算得到一個index值
3.遍歷索引位置對應的鏈表，如果Entry對象的hash值與hash函數得到的hash值相等，并且該Entry對象的key值與put方法傳過來的key值相等則，將該Entry對象的value值賦給一個變量，將該Entry對象的value值重新設置為put方法傳過來的value值。將舊的value返回。
4.添加Entry對象到相應的索引位置
public V put(K key, V value) { if (table == EMPTY_TABLE) {inflateTable(threshold); } // 鍵為 null 單獨處理 if (key == null)return putForNullKey(value); int hash = hash(key); // 確定桶下標 int i = indexFor(hash, table.length); // 先找出是否已經存在鍵為 key 的鍵值對，如果存在的話就更新這個鍵值對的值為 value for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {Object k;if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue;} } modCount++; // 插入新鍵值對 addEntry(hash, key, value, i); return null;}
HashMap 允許插入鍵為 null 的鍵值對。但是因為無法調用 null 的 hashCode() 方法，也就無法確定該鍵值對的桶下標，只能通過強制指定一個桶下標來存放。HashMap 使用第 0 個桶存放鍵為 null 的鍵值對
private V putForNullKey(V value) { for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {if (e.key == null) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue;} } modCount++; addEntry(0, null, value, 0); return null;}
使用鏈表的頭插法，也就是新的鍵值對插在鏈表的頭部，而不是鏈表的尾部。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {resize(2 * table.length);hash = (null != key) ? hash(key) : 0;bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex);}void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // 頭插法，鏈表頭部指向新的鍵值對 table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); size++;}Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { value = v; next = n; key = k; hash = h;}4、確定桶下標
很多操作都需要先確定一個鍵值對所在的桶下標。如上所示代碼
int hash = hash(key);int i = indexFor(hash, table.length);4.1、確定hash值
final int hash(Object k) { int h = hashSeed; if (0 != h && k instanceof String) {return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k); } h ^= k.hashCode(); // This function ensures that hashCodes that differ only by // constant multiples at each bit position have a bounded // number of collisions (approximately 8 at default load factor). h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);}public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);}4.2、取模確定桶下標
令 x = 1<<4，即 x 為 2 的 4 次方，它具有以下性質：
x : 00010000x-1 : 00001111
令一個數 y 與 x-1 做與運算，可以去除 y 位級表示的第 4 位以上數：
y : 10110010x-1 : 00001111y&(x-1) : 00000010
這個性質和 y 對 x 取模效果是一樣的：
y : 10110010x : 00010000y%x : 00000010
我們知道，位運算的代價比求模運算小的多，因此在進行這種計算時用位運算的話能帶來更高的性能。
確定桶下標的最后一步是將 key 的 hash 值對桶個數取模：hash%capacity，如果能保證 capacity 為 2 的 n 次方，那么就可以將這個操作轉換為位運算。
static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1);}
面試題目：hashmap的初始容量值為什么設置為16？
原因1、根據確定桶下標的原理， h & (length-1)，長度length為2的整數次冪可以保證散列的均勻，提升效率；
原因2、因為length為偶數，length-1必為奇數，所以h值的奇偶數決定了散列表數組落入奇數或者偶數數組內；這樣保證了散列的均勻性。而如果length為奇數，那么length-1位偶數，最后一位為0，根據 邏輯 & 的原則碼，最后一位肯定都是偶數0，而不可能出現奇數1，所以散列表只能使用一半的數組，造成很大的浪費；
5、擴容原理HashMap的初始容量是2的n次冪，擴容也是2倍的形式進行擴容，是因為容量是2的n次冪，可以使得添加的元素均勻分布在HashMap中的數組上，減少hash碰撞，避免形成鏈表的結構，使得查詢效率降低！
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;transient Entry[] table;transient int size;int threshold;final float loadFactor;transient int modCount;
從下面的添加元素代碼中可以看出，當需要擴容時，令 capacity 為原來的兩倍
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); if (size++ >= threshold)resize(2 * table.length);}
擴容使用 resize() 實現，需要注意的是，擴容操作同樣需要把 oldTable 的所有鍵值對重新插入 newTable 中，因此這一步是很費時的。
多線程下擴容會出現HashMap的循環鏈表情況
void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return; } Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; transfer(newTable); table = newTable; threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);}void transfer(Entry[] newTable) { Entry[] src = table; int newCapacity = newTable.length; for (int j = 0; j < src.length; j++) {Entry<K,V> e = src[j];if (e != null) { src[j] = null; do {Entry<K,V> next = e.next;int i = indexFor(e.hash, newCapacity);e.next = newTable[i];newTable[i] = e;e = next; } while (e != null);} }}6、擴容-重新計算桶下標
在進行擴容時，需要把鍵值對重新放到對應的桶上。HashMap 使用了一個特殊的機制，可以降低重新計算桶下標的操作。
假設原數組長度 capacity 為 16，擴容之后 new capacity 為 32：
capacity : 00010000new capacity : 00100000對于一個 Key，
它的哈希值如果在第 5 位上為 0，那么取模得到的結果和之前一樣；如果為 1，那么得到的結果為原來的結果 +16。
7、計算數組容量HashMap 構造函數允許用戶傳入的容量不是 2 的 n 次方，因為它可以自動地將傳入的容量轉換為 2 的 n 次方。
先考慮如何求一個數的掩碼，對于 10010000，它的掩碼為 11111111，可以使用以下方法得到：
mask |= mask >> 1 11011000mask |= mask >> 2 11111110mask |= mask >> 4 11111111
mask+1 是大于原始數字的最小的 2 的 n 次方。
num 10010000mask+1 100000000
以下是 HashMap 中計算數組容量的代碼：
static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;}8、JDK1.8開始，鏈表轉換為紅黑樹
從 JDK 1.8 開始，一個桶存儲的鏈表長度大于 8 時會將鏈表轉換為紅黑樹。
數據結構：數組+鏈表+紅黑樹
get方法調用
1.當調用get方法時會調用hash函數，這個hash函數會將key的hashCode值返回，返回的hashCode與Entry數組長度-1進行邏輯與運算得到一個index值，用這個index值來確定數據存儲在Entry數組當中的位置
2.通過循環來遍歷索引位置對應的鏈表，初始值為數據存儲在Entry數組當中的位置，循環條件為Entry對象不為null，改變循環條件為Entry對象的下一個節點
3.如果hash函數得到的hash值與Entry對象當中key的hash值相等，并且Entry對象當中的key值與get方法傳進來的key值equals相同則返回該Entry對象的value值，否則返回null
在多線程條件下，容易導致死循環，具體表現為CPU使用率100%。因此多線程環境下保證 HashMap 的線程安全性，主要有如下幾種方法：
1、使用 java.util.Hashtable 類，此類是線程安全的。
2、使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，此類是線程安全的。
3、使用 java.util.Collections.synchronizedMap() 方法包裝 HashMap object，得到線程安全的Map，并在此Map上進行操作。
通過Collections.synchronizedMap()來封裝所有不安全的HashMap的方法,就連toString, hashCode都進行了封裝. 封裝的關鍵點有2處
(1)使用了經典的synchronized來進行互斥,
(2)使用了代理模式new了一個新的類,這個類同樣實現了Map接口
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