序言
在后端的日常開發(fā)工作中脸秽，集合是使用頻率相當高的一個工具，而其中的HashMap蝴乔，則更是我們用以處理業(yè)務邏輯的好幫手记餐，同時HashMap的底層實現(xiàn)和原理，也成了面試題中的侈闭客片酝。
以前曾有詳細了解過HashMap的實現(xiàn)原理，看過源碼（JDK7版本）挖腰。但隨著jdk版本的飛速迭代（現(xiàn)在都到JDK13了雕沿，但新特性還從沒用過。猴仑。）审轮，主流的jdk使用版本也終于從JDK7挪到了JDK8。
由于JDK的向前兼容辽俗，在JDK8的使用過程中也沒發(fā)現(xiàn)HashMap有什么特別之處疾渣，特性并無變化（依然線程不安全）。但最近的一次好奇心驅(qū)使崖飘，從IDE中點進去看了下HashMap的put()方法榴捡，有點兒懵逼，怎么跟我記憶中的不太一樣朱浴？從JDK7到JDK8薄疚，HashMap也做了升級么？升級了什么哪些內(nèi)容赊琳？
借著這股好奇心，把JDK7和JDK8的源碼都翻了翻砰碴，對兩者的實現(xiàn)原理做一下對比躏筏，JDK版本都在半年左右一次的速度推陳出新，我們的認知當然也要跟上呈枉，不斷學習趁尼，站在浪潮之巔，不然就要被這滾滾的信息泥石流給裹挾淹沒了猖辫。
先展示下Map家族的關(guān)系層級酥泞，有助于我們更好的理解后面的內(nèi)容。
HashMap的基本知識點介紹就不多啰嗦了啃憎，直奔主題芝囤，看JDK7和JDK8的功能實現(xiàn)吧。
一、JDK7中的HashMap底層實現(xiàn)
1.1 基礎知識
不管是1.7悯姊，還是1.8羡藐，HashMap的實現(xiàn)框架都是哈希表 + 鏈表的組合方式。結(jié)構(gòu)圖如下：
平常使用最多的就是put()悯许、get()操作仆嗦，想要了解底層實現(xiàn)，最直接的就是從put()/get()方法看起先壕。不過在具體看源碼前瘩扼，我們先關(guān)注幾個域變量，打打基礎垃僚，如下：
上圖中集绰，已對各個變量做了簡單的解釋。再多說一下冈在，最后一個變量modCount倒慧，記錄了map新增/刪除k-v對，或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了調(diào)整的次數(shù)包券，其主要作用纫谅，是對Map的iterator()操作做一致性校驗，如果在iterator操作的過程中溅固，map的數(shù)值有修改付秕，直接拋出ConcurrentModificationException異常。
還需要說明的是侍郭，上面的域變量中存在一個等式：
threshold = table.length * loadFactor;
當執(zhí)行put()操作放入一個新的值時询吴，如果map中已經(jīng)存在對應的key，則作替換即可亮元，若不存在猛计，則會首先判斷size>=threshold是否成立，這是決定哈希table是否擴容的重要因素爆捞。
就使用層面來說奉瘤，用的最多的莫過于put()方法、get()方法煮甥。想要詳細了解運作原理盗温，那就先從這兩個方法看起吧，這兩個方法弄明白了成肘，也就基本能理清HashMap的實現(xiàn)原理了卖局。
1.2 put()方法
當了解了以上的變量和用途后，接下來看下put()方法的具體實現(xiàn)：
如上面的截圖代碼所示双霍，整個put方法的處理過程砚偶，可拆分為四部分：
- part1：特殊key值處理批销，key為null；
- part2：計算table中目標bucket的下標蟹演；
- part3：指定目標bucket风钻，遍歷Entry結(jié)點鏈表，若找到key相同的Entry結(jié)點酒请，則做替換骡技；
- part4：若未找到目標Entry結(jié)點，則新增一個Entry結(jié)點羞反。
不知大家有沒有發(fā)現(xiàn)布朦，上面截圖中的put()方法是有返回值的，場景區(qū)分如下：
- 場景1：若執(zhí)行put操作前昼窗，key已經(jīng)存在是趴，那么在執(zhí)行put操作時，會使用本次的新value值來覆蓋前一次的舊value值澄惊，返回的就是舊value值唆途；
- 場景2：若key不存在，則返回null值掸驱。
下面對put方法的各部分做詳細的拆解分析肛搬。
1.2.1 特殊key值處理
特殊key值，指的就是key為null毕贼。
先說結(jié)論：
- HashMap中温赔，是允許key、value都為null的鬼癣，且key為null只存一份陶贼，多次存儲會將舊value值覆蓋；
- key為null的存儲位置待秃，都統(tǒng)一放在下標為0的bucket拜秧，即：table[0]位置的鏈表；
- 如果是第一次對key=null做put操作章郁，將會在table[0]的位置新增一個Entry結(jié)點腹纳，使用頭插法做鏈表插入。
上代碼：
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;
}
/**
* Adds a new entry with the specified key, value and hash code to
* the specified bucket. It is the responsibility of this
* method to resize the table if appropriate.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of put method.
*/
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);
}
/**
* Like addEntry except that this version is used when creating entries
* as part of Map construction or "pseudo-construction" (cloning,
* deserialization). This version needn't worry about resizing the table.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of HashMap(Map),
* clone, and readObject.
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
putForNullKey()方法中的代碼較為簡單：首先選擇table[0]位置的鏈表驱犹，然后對鏈表做遍歷操作，如果有結(jié)點的key為null足画，則將新value值替換掉舊value值雄驹，返回舊value值，如果未找到淹辞，則新增一個key為null的Entry結(jié)點医舆。
重點我們看下第二個方法addEntry()。這是一個通用方法：
給定hash、key蔬将、value爷速、bucket下?標，新增一個Entry結(jié)點霞怀，另外還擔負了擴容職責惫东。如果哈希表中存放的k-v對數(shù)量超過了當前閾值(threshold = table.length * loadFactor)，且當前的bucket下標有鏈表存在毙石，那么就做擴容處理（resize）廉沮。擴容后，重新計算hash徐矩，最終得到新的bucket下標滞时，然后使用頭插法新增結(jié)點。
1.2.2 擴容
上一節(jié)有提及滤灯，當k-v對的容量超出一定限度后坪稽，需要對哈希table做擴容操作。那么問題來了鳞骤，怎么擴容的窒百？
下面看下源代碼：
有兩個核心點：
- 擴容后大小是擴容前的2倍；
oldCapacity=table.length;
newCapacity = 2 * oldCapacity;
- 數(shù)據(jù)搬遷弟孟，從舊table遷到擴容后的新table贝咙。為避免碰撞過多，先決策是否需要對每個Entry鏈表結(jié)點重新hash拂募，然后根據(jù)hash值計算得到bucket下標庭猩，然后使用頭插法做結(jié)點遷移。
1.2.3 如何計算bucket下標陈症？
- ① hash值的計算
首先得有key的hash值蔼水，就是一個整數(shù)，int類型录肯，其計算方式使用了一種可盡量減少碰撞的算式（高位運算）趴腋，具體原理不再展開，只要知道一點就行：使用key的hashCode作為算式的輸入论咏，得到了hash值优炬。
從以上知識點，我們可以得到一個推論：對于兩個對象厅贪，若其hashCode相同蠢护，那么兩個對象的hash值就一定相同。
這里還牽涉到另外一個知識點养涮。對于HashMap中key的類型葵硕，必須滿足以下的條件：若兩個對象邏輯相等茁肠，那么他們的hashCode一定相等宋雏，反之卻不一定成立卑惜。
邏輯相等的含義就比較寬泛了沟堡，我們可以將邏輯的相等定義為兩個對象的內(nèi)存地址相同，也可以定義為對象的某個域值相等介评，自定義兩個對象的邏輯相等库北，可通過重寫Object類的equals()方法來實現(xiàn)。比如String類威沫，請看以下代碼：
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
System.out.println(str1 == str2); // false贤惯，兩個對象的內(nèi)存地址并不同
System.out.println(str1.equals(str2)); // true 兩個對象的域值相同，都存儲了 abc 這三個字符
對于上面代碼中的str1棒掠、str2兩個對象孵构，雖然它們的內(nèi)存地址不同，但根據(jù)String類中對Object類的equals()方法的重寫(@override)烟很，兩個對象的域變量（即char數(shù)組）都存儲了'a'颈墅、'b'、'c'三個字符雾袱，因此邏輯上是相等的恤筛。既然str1、str2兩個對象邏輯上相等芹橡，那么一定有如下結(jié)果：
System.out.println(str1.hashCode() == str2.hashCode());
---輸出---
true
從而我們就可以知道毒坛，在同一個HashMap對象中，會有如下結(jié)果：
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
Map<String, Integer> testMap = new HashMap<>();
testMap.put(str1, 12);
testMap.put(str2, 13);
String str3 = new StringBuilder("ab").append("c").toString();
System.out.println(testMap.get(str3));
---輸出---
13
另外林说，我們也可以反過來想一下煎殷。
假設HashMap的key不滿足上面提到的條件，即：兩個對象相等的情況下腿箩，他們的hashCode可能不一致豪直。那么，這會帶來什么后果呢珠移？以上面示例代碼中的str1弓乙、str2為例，若它們的hashCode不相等钧惧，那么對應的hash也就可能不相等（注意：這里是可能不相等暇韧，也有可能相等），testMap做put操作時浓瞪，str1锨咙、str2為就會被分配到不同的bucket上，導致的最直接后果就是會存儲兩份追逮。間接的后果那就更多了酪刀，比如：使用str3對象執(zhí)行testMap.get(str3)操作時，可能獲取不到值钮孵，更進一步的后果就是這部分無法觸達的對象無法回收骂倘，導致內(nèi)存泄漏。
因此巴席，再重新一遍历涝，HashMap的key所對應的類型，一定要滿足如下條件：
若兩個對象邏輯相等漾唉，那么他們的hashCode一定相等荧库，反之卻不一定成立。
- ② 取模的邏輯
前面我們分析了hash值的計算赵刑，接下來就可以引出bucket下標的計算：
/**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
計算相當簡潔：將table的容量與hash值做“與”運算分衫，得到哈希table的bucket下標。
- ③ 拓展
這種通俗的不能再通俗的計算大家都能看懂般此，但為何要這樣做呢蚪战？背后的思考是什么？在看到下面的解釋前铐懊，大家可以先思考下~
在文檔開頭邀桑，給出了HashMap類中的各個域變量。其中科乎，哈希table的初始大小默認設置為16壁畸，為2的次冪數(shù)。后面在擴容時茅茂，都是以2的倍數(shù)來擴容捏萍。為什么非要將哈希table的大小控制為2的次冪數(shù)？
原因1：降低發(fā)生碰撞的概率玉吁，使散列更均勻照弥。根據(jù)key的hash值計算bucket的下標位置時，使用“與”運算公式：h & (length-1)进副，當哈希表長度為2的次冪時这揣，等同于使用表長度對hash值取模（不信大家可以自己演算一下），散列更均勻影斑；
原因2：表的長度為2的次冪给赞，那么(length-1)的二進制最后一位一定是1，在對hash值做“與”運算時矫户，最后一位就可能為1片迅，也可能為0，換句話說皆辽，取模的結(jié)果既有偶數(shù)柑蛇，又有奇數(shù)芥挣。設想若(length-1)為偶數(shù)，那么“與”運算后的值只能是0耻台，奇數(shù)下標的bucket就永遠散列不到空免，會浪費一半的空間。
1.2.4 在目標bucket中遍歷Entry結(jié)點
先把這部分代碼拎出來：
int i = indexFor(hash, table.length);
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;
}
}
通過hash值計算出下標盆耽，找到對應的目標bucket蹋砚，然后對鏈表做遍歷操作，逐個比較摄杂，如下：
注意這里的查找條件：e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))結(jié)點的key與目標key的相等坝咐，要么內(nèi)存地址相等，要么邏輯上相等析恢，兩者有一個滿足即可墨坚。
1.3 get()方法
相比于put()方法，get()方法的實現(xiàn)就相對簡單多了氮昧。主要分為兩步框杜，先是通過key的hash值計算目標bucket的下標，然后遍歷對應bucket上的鏈表袖肥，逐個對比咪辱，得到結(jié)果。
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
/**
* Returns the entry associated with the specified key in the
* HashMap. Returns null if the HashMap contains no mapping
* for the key.
*/
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
1.4 Map中的迭代器Iterator
1.4.1 Map遍歷的幾種方式
先問個問題椎组，你能想到幾種遍歷Map的方式油狂？
方式1：Iterator迭代器
Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = testMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Entry<String, Integer> next = iterator.next();
System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
}
逐個獲取哈希table中的每個bucket中的每個Entry結(jié)點，后面會詳細介紹寸癌。
方式2：最常見的使用方式专筷，可同時得到key、value值
// 方式一
for (Map.Entry<String, Integer> entry : testMap.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}
這種方式是一個語法糖蒸苇，我們可通過反編譯命令javap磷蛹，或通過IDE來查下編譯之后的語句：
Iterator var2 = testMap.entrySet().iterator();
while(var2.hasNext()) {
Entry<String, Integer> entry = (Entry)var2.next();
System.out.println((String)entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}
其底層還是使用的是Iterator功能。
方式3：使用foreach方式（JDK1.8才有）
testMap.forEach((key, value) -> {
System.out.println(key + ":" + value);
});
這是一種Lambda表達式溪烤。foreach也是一個語法糖味咳，其內(nèi)部是使用了方式二的處理方式，Map的foreach方法實現(xiàn)如下：
方式4：通過key的set集合遍歷
Iterator<String> keyIterator = testMap.keySet().iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
String key = keyIterator.next();
System.out.println(key + ":" + testMap.get(key));
}
這種也是Iterator的方式檬嘀，不過是通過Set類的iterator方式槽驶。
相比方式1，這種方式在獲取value時鸳兽，還需要再次通過testMap.get()的方式掂铐，性能相比方式1要降低很多。但兩者有各自的使用場景，若在Map的遍歷中僅使用key全陨，則方式4較為適合爆班，若需用到value，推薦使用方式1辱姨。
從前面的方式1和方式2可知蛋济，方式4還有如下的變體（語法糖的方式）：
for (String key : testMap.keySet()) {
System.out.println(key + ":" + testMap.get(key));
}
綜合以上，在遍歷Map時炮叶，從性能方面考慮，若需同時使用key和value渡处，推薦使用方式1或方式2镜悉，若單純只是使用key，推薦使用方式4医瘫。任何情況下都不推薦使用方式3侣肄，因為會新增二次查詢（通過key再一次在Map中查找value）。
另外醇份，使用方式1時稼锅，還可以做remove操作，這個下面會講到僚纷。
1.4.2 Iterator的實現(xiàn)原理
先看一張類/接口的繼承關(guān)系圖：
Iterator為一個頂層接口矩距，只提供了三個基礎方法聲明：
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
default void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("remove");
}
}
這也是我們使用Iterator時繞不開的三個方法。 在HashMap中怖竭，首先是新增了一個內(nèi)部抽象類HashIterator锥债，如下：
我們以Entry結(jié)點的遍歷為例（map的key、value的Iterator遍歷方式都類似）：
Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = testMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Entry<String, Integer> next = iterator.next();
System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
}
首先痊臭，第一行代碼哮肚，找到Iterator接口的具體實現(xiàn)類EntryIterator：
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
非常簡潔有木有？广匙？允趟？就只有一個next()方法，其正是對Iterator接口的next()方法的實現(xiàn)鸦致。方法內(nèi)部也只有一行潮剪，指向了父類的nextEntry()方法，即上面截圖中的HashIterator類中的nextEntry()方法蹋凝。
HashMap中的Iterator實現(xiàn)原理也不過如此鲁纠，就是這么樸實無華，是不是都想動手自己擼一個HashMap的實現(xiàn)了鳍寂？嗯改含，你可以的！Ｆ础捍壤！
1.5 fail-fast策略
和fail-fast經(jīng)常一起出現(xiàn)的還有一個異常類ConcurrentModificationException骤视，接下來我們聊下這兩者是什么關(guān)系，以及為什么搞這么個策略出來鹃觉。
什么是fail-fast专酗？我們可以稱它為"快速失效策略"，下面是Wikipedia中的解釋：
In systems design, a fail-fast system is one which immediately reports at its interface any condition that is likely to indicate a failure. Fail-fast systems are usually designed to stop normal operation rather than attempt to continue a possibly flawed process.
Such designs often check the system's state at several points in an operation, so any failures can be detected early. The responsibility of a fail-fast module is detecting errors, then letting the next-highest level of the system handle them.
大白話翻譯過來盗扇，就是在系統(tǒng)設計中祷肯，當遇到可能會誘導失敗的條件時立即上報錯誤，快速失效系統(tǒng)往往被設計在立即終止正常操作過程疗隶，而不是嘗試去繼續(xù)一個可能會存在錯誤的過程佑笋。再簡潔點說，就是盡可能早的發(fā)現(xiàn)問題斑鼻，立即終止當前執(zhí)行過程蒋纬，由更高層級的系統(tǒng)來做處理。
在HashMap中坚弱，我們前面提到的modCount域變量蜀备，就是用于實現(xiàn)hashMap中的fail-fast。出現(xiàn)這種情況荒叶，往往是在非同步的多線程并發(fā)操作碾阁。
在對Map的做迭代(Iterator)操作時，會將modCount域變量賦值給expectedModCount局部變量停撞。在迭代過程中瓷蛙，用于做內(nèi)容修改次數(shù)的一致性校驗。若此時有其他線程或本線程的其他操作對此Map做了內(nèi)容修改時戈毒，那么就會導致modCount和expectedModCount不一致艰猬，立即拋出異常ConcurrentModificationException。
舉個栗子：
public static void main(String[] args) {
Map<String, Integer> testMap = new HashMap<>();
testMap.put("s1", 11);
testMap.put("s2", 22);
testMap.put("s3", 33);
for (Map.Entry<String, Integer> entry : testMap.entrySet()) {
String key = entry.getKey();
if ("s1".equals(key)) {
testMap.remove(key);
}
}
}
---- output ---
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.HashMap$HashIterator.nextNode(HashMap.java:1437)
at java.util.HashMap$EntryIterator.next(HashMap.java:1471)
at java.util.HashMap$EntryIterator.next(HashMap.java:1469)
...
正確的刪除Map元素的姿勢：只有一個埋市，Iteator的remove()方法冠桃。
// 方式三
Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = testMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Entry<String, Integer> next = iterator.next();
System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
if (next.getKey().equals("s2")) {
iterator.remove();
}
}
但也要注意一點，能安全刪除道宅，并不代表就是多線程安全的食听，在多線程并發(fā)執(zhí)行時，若都執(zhí)行上面的操作污茵，因未設置為同步方法樱报，也可能導致modCount與expectedModCount不一致，從而拋異常ConcurrentModificationException泞当。線程不安全的體現(xiàn)和規(guī)避方式迹蛤，后續(xù)章節(jié)會詳細提及。
二、JDK8中的HashMap底層實現(xiàn)
前面我們已經(jīng)詳細剖析了HashMap在JDK7中的實現(xiàn)盗飒，不知大家有沒有發(fā)現(xiàn)其中可以優(yōu)化的地方嚷量？比如哈希表中因為hash碰撞而產(chǎn)生的鏈表結(jié)構(gòu)，如果數(shù)據(jù)量很大逆趣，那么產(chǎn)生碰撞的幾率很增加蝶溶，這帶來的后果就是鏈表長度也一直在增加，對于查詢來說宣渗，性能會越來越低抖所。如何提升查詢性能，成了JDK8中的HashMap要解決的問題痕囱。
因此部蛇，相比于JDK7，HashMap在JDK8中做鏈表結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化（但仍然線程不安全）咐蝇，在一定條件下將鏈表轉(zhuǎn)為紅黑樹，提升查詢效率巷查。
JDK8中的HashMap其底層存儲結(jié)構(gòu)如下：
相比于JDK7有序，JDK8中的HashMap會將較長的鏈表轉(zhuǎn)為紅黑樹，這也是與JDK7的核心差異岛请。下面先看下put()方法的實現(xiàn)旭寿。
2.1 put()操作
在進一步分析put()操作前，先說明一下：除了底層存儲結(jié)構(gòu)有調(diào)整崇败，鏈表結(jié)點的定義也由Entry類轉(zhuǎn)為了Node類盅称，但內(nèi)核沒有變化，不影響理解后室。
先上源代碼：
是不是很長很復雜缩膝？其實不難，只要記住上面的底層存儲結(jié)構(gòu)圖岸霹，代碼就很容易看懂疾层。還是一樣的存儲套路，先根據(jù)key確定在哈希table中的下標贡避，找到對應的bucket痛黎，遍歷鏈表（或紅黑樹），做插入操作刮吧。在JDK7中湖饱，新增結(jié)點是使用頭插法，但在JDK8中杀捻，在鏈表使用尾插法井厌，將待新增結(jié)點追加到鏈表末尾。
為方便理解，將上面的代碼轉(zhuǎn)為了下面的流程圖：
- 步驟①：若哈希table為null旗笔，或長度為0彪置，則做一次擴容操作；
- 步驟②：根據(jù)index找到目標bucket后蝇恶，若當前bucket上沒有結(jié)點拳魁，那么直接新增一個結(jié)點，賦值給該bucket撮弧；
- 步驟③：若當前bucket上有鏈表潘懊，且頭結(jié)點就匹配，那么直接做替換即可贿衍；
- 步驟④：若當前bucket上的是樹結(jié)構(gòu)授舟，則轉(zhuǎn)為紅黑樹的插入操作；
- 步驟⑤：若步驟①贸辈、②释树、③、④都不成立擎淤，則對鏈表做遍歷操作奢啥。
- 若鏈表中有結(jié)點匹配，則做value替換嘴拢；
- 若沒有結(jié)點匹配桩盲，則在鏈表末尾追加。同時席吴，執(zhí)行以下操作：
a. 若鏈表長度大于TREEIFY_THRESHOLD赌结，則執(zhí)行紅黑樹轉(zhuǎn)換操作；
b. 若條件a不成立孝冒，則執(zhí)行擴容resize()操作柬姚。
c. 以上5步都執(zhí)行完后，再看當前Map中存儲的k-v對的數(shù)量是否超出了threshold庄涡，若超出伤靠，還需再次擴容。
紅黑樹的轉(zhuǎn)換操作如下：
/**
* Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
* table is too small, in which case resizes instead.
*/
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
// 若表為空啼染，或表長度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY宴合，也不做轉(zhuǎn)換，直接做擴容處理迹鹅。
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
2.2 擴容操作
什么場景下會觸發(fā)擴容卦洽？
- 場景1：哈希table為null或長度為0；
- 場景2：Map中存儲的k-v對數(shù)量超過了閾值threshold斜棚；
- 場景3：鏈表中的長度超過了TREEIFY_THRESHOLD阀蒂，但表長度卻小于MIN_TREEIFY_CAPACITY该窗。
一般的擴容分為2步，第1步是對哈希表長度的擴展（2倍）蚤霞，第2步是將舊table中的數(shù)據(jù)搬到新table上酗失。那么，在JDK8中昧绣，HashMap是如何擴容的呢规肴？
上源代碼片段：
...
// 前面已經(jīng)做了第1步的長度拓展，我們主要分析第2步的操作：如何遷移數(shù)據(jù)
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 循環(huán)遍歷哈希table的每個不為null的bucket
// 注意夜畴，這里是"++j"拖刃，略過了oldTab[0]的處理
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 若只有一個結(jié)點，則原地存儲
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
// "lo"前綴的代表要在原bucket上存儲贪绘，"hi"前綴的代表要在新的bucket上存儲
// loHead代表是鏈表的頭結(jié)點兑牡，loTail代表鏈表的尾結(jié)點
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 以oldCap=8為例，
// 0001 1000 e.hash=24
// & 0000 1000 oldCap=8
// = 0000 1000 --> 不為0税灌，需要遷移
// 這種規(guī)律可發(fā)現(xiàn)均函，[oldCap, (2*oldCap-1)]之間的數(shù)據(jù)，
// 以及在此基礎上加n*2*oldCap的數(shù)據(jù)菱涤，都需要做遷移边酒，剩余的則不用遷移
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
// 這種是有序插入，即依次將原鏈表的結(jié)點追加到當前鏈表的末尾
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
// 需要搬遷的結(jié)點狸窘，新下標為從當前下標往前挪oldCap個距離。
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
2.3 get()操作
了解了上面的put()操作坯认，get()操作就比較簡單了翻擒。
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
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;
}
先根據(jù)key計算hash值，進一步計算得到哈希table的目標index牛哺，若此bucket上為紅黑樹陋气，則再紅黑樹上查找，若不是紅黑樹引润，遍歷鏈表巩趁。
三、HashMap淳附、HashTable是什么關(guān)系议慰？
再把文章開頭的這張圖放出來，溫習一下：
3.1 共同點與異同點
共同點：
- 底層都是使用哈希表 + 鏈表的實現(xiàn)方式奴曙。
區(qū)別：
- 從層級結(jié)構(gòu)上看别凹，HashMap、HashTable有一個共用的Map接口洽糟。另外炉菲，HashTable還單獨繼承了一個抽象類Dictionary堕战；
- HashTable誕生自JDK1.0，HashMap從JDK1.2之后才有拍霜；
- HashTable線程安全嘱丢，HashMap線程不安全；
- 初始值和擴容方式不同祠饺。HashTable的初始值為11越驻，擴容為原大小的2*d+1。容量大小都采用奇數(shù)且為素數(shù)吠裆，且采用取模法伐谈，這種方式散列更均勻。但有個缺點就是對素數(shù)取模的性能較低（涉及到除法運算）试疙，而HashTable的長度都是2的次冪诵棵，設計就較為巧妙，前面章節(jié)也提到過祝旷，這種方式的取模都是直接做位運算履澳，性能較好。
- HashMap的key怀跛、value都可為null距贷，且value可多次為null，key多次為null時會覆蓋吻谋。當HashTable的key忠蝗、value都不可為null，否則直接NPE(NullPointException)漓拾。
示例：
public static void main(String[] args) {
Map<String, Integer> testTable = new Hashtable<>();
testTable.put(null, 23); // 拋NPE
testTable.put("s1", null); // 拋NPE
}
看下put()方法的源碼：
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
源碼中不允許value為null阁最，若為null則直接拋NPE。對于key為null時骇两，源碼第9行：int hash = key.hashCode(); 未做判空操作速种，也會外拋NPE。
另外低千，我們現(xiàn)在看到的抽象類Dictionary配阵，是一個已經(jīng)廢棄的類，源碼注釋中有如下說明：
<strong>NOTE: This class is obsolete. New implementations should
implement the Map interface, rather than extending this class.</strong>
3.2 HashMap的線程安全
能保證線程線程安全的方式有多個示血，比如添加synchronized關(guān)鍵字棋傍，或者使用lock機制。兩者的差異不在此展開难审，后續(xù)會寫有關(guān)線程安全的文章舍沙，到時再詳細說明。而HashTable使用了前者剔宪，即synchronized關(guān)鍵字拂铡。
put操作壹无、get操作、remove操作感帅、equals操作斗锭，都使用了synchronized關(guān)鍵字修飾。
這么做是保證了HashTable對象的線程安全特性失球，但同樣也帶來了問題岖是，突出問題就是效率低下染苛。為何會說它效率低下呢想邦？
因為按synchronized的特性隔崎，對于多線程共享的臨界資源揉阎，同一時刻只能有一個線程在占用，其他線程必須原地等待米者，為方便理解捌斧，大家不妨想下計時用的沙漏嫉嘀，中間最細的瓶頸處阻擋了上方細沙的下落猾浦，同樣的道理陆错，當有大量線程要執(zhí)行g(shù)et()操作時，也存在此類問題金赦，大量線程必須排隊一個個處理音瓷。
這時可能會有人說，既然get()方法只是獲取數(shù)據(jù)夹抗，并沒有修改Map的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)绳慎，不加不就行了嗎？不好意思漠烧，不加也不行杏愤，別的方法都加，就你不加沽甥，會有一種場景，那就是A線程在做put或remove操作時乏奥，B線程摆舟、C線程此時都可以同時執(zhí)行g(shù)et操作，可能哈希table已經(jīng)被A線程改變了邓了，也會帶來問題恨诱，因此不加也不行。
現(xiàn)在好了骗炉，HashMap線程不安全照宝，HashTable雖然線程安全，但性能差句葵，那怎么破厕鹃？使用ConcurrentHashMap類吧兢仰，既線程安全，還操作高效剂碴，誰用誰說好把将。莫急，下面章節(jié)會詳細解釋ConcurrentHashMap類忆矛。
四察蹲、HashMap線程不安全在哪？
本章節(jié)主要探討下HashMap的線程不安全會帶來哪些方面的問題催训。
4.1 數(shù)據(jù)覆蓋問題
兩個線程執(zhí)行put()操作時洽议，可能導致數(shù)據(jù)覆蓋。JDK7版本和JDK8版本的都存在此問題漫拭，這里以JDK7為例亚兄。
假設A、B兩個線程同時執(zhí)行put()操作嫂侍，且兩個key都指向同一個buekct儿捧，那么此時兩個結(jié)點，都會做頭插法挑宠。
先看這里的代碼實現(xiàn)：
public V put(K key, V value) {
...
addEntry(hash, key, value, i);
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
...
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
看下最后的createEntry()方法菲盾，首先獲取到了bucket上的頭結(jié)點，然后再將新結(jié)點作為bucket的頭部各淀，并指向舊的頭結(jié)點懒鉴，完成一次頭插法的操作。
當線程A和線程B都獲取到了bucket的頭結(jié)點后碎浇，若此時線程A的時間片用完临谱，線程B將其新數(shù)據(jù)完成了頭插法操作，此時輪到線程A操作奴璃，但這時線程A所據(jù)有的舊頭結(jié)點已經(jīng)過時了（并未包含線程B剛插入的新結(jié)點）悉默，線程A再做頭插法操作，就會抹掉B剛剛新增的結(jié)點苟穆，導致數(shù)據(jù)丟失抄课。
其實不光是put()操作，刪除操作雳旅、修改操作跟磨，同樣都會有覆蓋問題。
4.2 擴容時導致死循環(huán)
這是最常遇到的情況攒盈，也是面試經(jīng)常被問及的考題抵拘。但說實話，這個多線程環(huán)境下導致的死循環(huán)問題型豁，并不是那么容易解釋清楚僵蛛，因為這里已經(jīng)深入到了擴容的細節(jié)尚蝌。這里盡可能簡單的描述死循環(huán)的產(chǎn)生過程。
另外墩瞳，只有JDK7及以前的版本會存在死循環(huán)現(xiàn)象驼壶，在JDK8中，resize()方式已經(jīng)做了調(diào)整喉酌，使用兩隊鏈表热凹，且都是使用的尾插法，及時多線程下泪电，也頂多是從頭結(jié)點再做一次尾插法般妙，不會造成死循環(huán)。而JDK7能造成死循環(huán)相速，就是因為resize()時使用了頭插法碟渺，將原本的順序做了反轉(zhuǎn)，才留下了死循環(huán)的機會突诬。
在進一步說明死循環(huán)的過程前苫拍，我們先看下JDK7中的擴容代碼片段：
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;
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;
}
}
}
其實就是簡單的鏈表反轉(zhuǎn)，再進一步簡化的話旺隙，分為當前結(jié)點e绒极，以及下一個結(jié)點e.next。我們以鏈表a->b->c->null為例蔬捷，兩個線程A和B垄提，分別做擴容操作。
原表：
線程A和B各自新增了一個新的哈希table周拐，在線程A已做完擴容操作后铡俐，線程B才開始擴容。此時對于線程B來說妥粟，當前結(jié)點e指向a結(jié)點审丘，下一個結(jié)點e.next仍然指向b結(jié)點（此時在線程A的鏈表中，已經(jīng)是c->b->a的順序）勾给。按照頭插法滩报，哈希表的bucket指向a結(jié)點，此時a結(jié)點成為線程B中鏈表的頭結(jié)點锦秒，如下圖所示：
a結(jié)點成為線程B中鏈表的頭結(jié)點后露泊，下一個結(jié)點e.next為b結(jié)點喉镰。既然下一個結(jié)點e.next不為null旅择，那么當前結(jié)點e就變成了b結(jié)點，下一個結(jié)點e.next變?yōu)閍結(jié)點侣姆。繼續(xù)執(zhí)行頭插法生真，將b變?yōu)殒湵淼念^結(jié)點沉噩，同時next指針指向舊的頭節(jié)點a，如下圖：
此時柱蟀，下一個結(jié)點e.next為a節(jié)點川蒙，不為null，繼續(xù)頭插法长已。指針后移畜眨，那么當前結(jié)點e就成為了a結(jié)點，下一個結(jié)點為null术瓮。將a結(jié)點作為線程B鏈表中的頭結(jié)點康聂，并將next指針指向原來的舊頭結(jié)點b，如下圖所示：
此時胞四，已形成環(huán)鏈表恬汁。同時下一個結(jié)點e.next為null，流程結(jié)束辜伟。
4.3 小結(jié)
多線程環(huán)境下使用HashMap氓侧，會引起各類問題，上面僅為不安全問題的兩個典型示例导狡，具體問題無法一一列舉约巷，但大體會分為以下三類：
- 死循環(huán)
- 數(shù)據(jù)重復
- 數(shù)據(jù)丟失（覆蓋）
在JDK1.5之前，多線程環(huán)境往往使用HashTable烘豌，但在JDK1.5及以后的版本中载庭，在并發(fā)包中引入了專門用于多線程環(huán)境的ConcurrentHashMap類，采用分段鎖實現(xiàn)了線程安全廊佩，相比HashTable有更高的性能囚聚，推薦使用。
五标锄、如何規(guī)避HashMap的線程不安全顽铸？
前面提到了HashMap在多線程環(huán)境下的各類不安全問題，那么有哪些方式可以轉(zhuǎn)成線程安全的呢料皇？
5.1 將Map轉(zhuǎn)為包裝類
如何轉(zhuǎn)谓松？使用Collections.SynchronizedMap()方法，示例代碼：
Map<String, Integer> testMap = new HashMap<>();
...
// 轉(zhuǎn)為線程安全的map
Map<String, Integer> map = Collections.synchronizedMap(testMap);
其內(nèi)部實現(xiàn)也很簡單践剂，等同于HashTable鬼譬，只是對當前傳入的map對象，新增對象鎖（synchronized）：
// 源碼來自Collections類
private static class SynchronizedMap<K,V> implements Map<K,V>, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;
private final Map<K,V> m; // Backing Map
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
this.m = Objects.requireNonNull(m);
mutex = this;
}
SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
this.m = m;
this.mutex = mutex;
}
public int size() {
synchronized (mutex) {return m.size();}
}
public boolean isEmpty() {
synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
}
public boolean containsKey(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
}
public boolean containsValue(Object value) {
synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
public V remove(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
}
public void clear() {
synchronized (mutex) {m.clear();}
}
}
5.2 使用ConcurrentHashMap
既然HashMap類是線程不安全的逊脯，那就不妨找個線程安全的替代品——ConcurrentHashMap類优质。
使用示例：
Map<String, Integer> susuMap = new ConcurrentHashMap<>();
susuMap.put("susu1", 111);
susuMap.put("susu2", 222);
System.out.println(susuMap.get("susu1"));
在使用習慣上完全兼容了HashMap的使用。
JDK1.5版本引入，位于并發(fā)包java.util.concurrent下巩螃。
在JDK7版本及以前演怎，ConcurrentHashMap類使用了分段鎖的技術(shù)（segment + Lock），但在jdk8中避乏，也做了較大改動爷耀，使用回了synchronized修飾符。
具體差別拍皮，在以后的文章中再詳細介紹歹叮。
