java.util.HashMap<K,V>

http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/HashMap.html

equals()/hashCode()

String.java:

public boolean equals(Object anObject) {        if (this == anObject) {            return true;        }        if (anObject instanceof String) {            String anotherString = (String)anObject;            int n = value.length;            if (n == anotherString.value.length) {                char v1[] = value;                char v2[] = anotherString.value;                int i = 0;                while (n-- != 0) {                    if (v1[i] != v2[i])                        return false;                    i++;                }                return true;            }        }        return false;    }

重写equals要满足几个条件：
- 自反性：对于任何非空引用值 x，x.equals(x) 都应返回 true。
- 对称性：对于任何非空引用值 x 和 y，当且仅当 y.equals(x) 返回 true 时，x.equals(y) 才应返回 true。
- 传递性：对于任何非空引用值 x、y 和 z，如果 x.equals(y) 返回 true，并且 y.equals(z) 返回 true，那么 x.equals(z) 应返回 true。
- 一致性：对于任何非空引用值 x 和 y，多次调用 x.equals(y) 始终返回 true 或始终返回 false，前提是对象上 equals 比较中所用的信息没有被修改。
- 对于任何非空引用值 x，x.equals(null) 都应返回 false。

Object 类的 equals 方法实现对象上差别可能性最大的相等关系；即，对于任何非空引用值 x 和 y，当且仅当 x 和 y 引用同一个对象时，此方法才返回 true（x == y 具有值 true）。 当此方法被重写时，通常有必要重写 hashCode 方法，以维护 hashCode 方法的常规协定，该协定声明相等对象必须具有相等的哈希码。
下面来说说hashCode方法，这个方法我们平时通常是用不到的，它是为哈希家族的集合类框架(HashMap、HashSet、HashTable)提供服务，hashCode 的常规协定是：

    在 Java 应用程序执行期间，在同一对象上多次调用 hashCode 方法时，必须一致地返回相同的整数，前提是对象上 equals 比较中所用的信息没有被修改。从某一应用程序的一次执行到同一应用程序的另一次执行，该整数无需保持一致。     如果根据 equals(Object) 方法，两个对象是相等的，那么在两个对象中的每个对象上调用 hashCode 方法都必须生成相同的整数结果。 

以下情况不是必需的：如果根据 equals(java.lang.Object) 方法，两个对象不相等，那么在两个对象中的任一对象上调用 hashCode 方法必定会生成不同的整数结果。但是，程序员应该知道，为不相等的对象生成不同整数结果可以提高哈希表的性能。

equals() 关系 hashCode() 相等 —> 相等 不等 <— 不等

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HashMap

当我们调用put存值时，HashMap首先会调用K的hashCode方法，获取哈希码，通过哈希码快速找到某个存放位置，这个位置可以被称之为bucketIndex，通过上面所述hashCode的协定可以知道，如果hashCode不同，equals一定为false，如果hashCode相同，equals不一定为true。所以理论上，hashCode可能存在冲突的情况，有个专业名词叫碰撞，当碰撞发生时，计算出的bucketIndex也是相同的，这时会取到bucketIndex位置已存储的元素，最终通过equals来比较，equals方法就是哈希码碰撞时才会执行的方法，所以前面说HashMap很少会用到equals。HashMap通过hashCode和equals最终判断出K是否已存在，如果已存在，则使用新V值替换旧V值，并返回旧V值，如果不存在 ，则存放新的键值对< K, V >到bucketIndex位置。文字描述有些乱，通过下面的流程图来梳理一下整个put过程。

• HashMap通过键的hashCode来快速的存取元素。
• 当不同的对象hashCode发生碰撞时，HashMap通过单链表来解决，将新元素加入链表表头，通过next指向原有的元素。单链表在Java中的实现就是对象的引用(复合)。

public V put(K key, V value) {      // 处理key为null，HashMap允许key和value为null      if (key == null)          return putForNullKey(value);      // 得到key的哈希码      int hash = hash(key);      // 通过哈希码计算出bucketIndex      int i = indexFor(hash, table.length);      // 取出bucketIndex位置上的元素，并循环单链表，判断key是否已存在      for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {          Object k;          // 哈希码相同并且对象相同时          if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {              // 新值替换旧值，并返回旧值              V oldValue = e.value;              e.value = value;              e.recordAccess(this);              return oldValue;          }      }      // key不存在时，加入新元素      modCount++;      addEntry(hash, key, value, i);      return null;  }

数组+单链表
所以可以看出来，HashMap的put/get操作的时间复杂度是：O(n)

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HashMap有两个参数影响其性能：初始容量和加载因子。默认初始容量是16，加载因子是0.75。容量是哈希表中桶(Entry数组)的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，通过调用 rehash 方法将容量翻倍。
需要注意的是，HashMap中的容量MUST be a power of two，翻译过来就是必须为2的幂，这里的原因稍后再说。再来看一下HashMap初始化，HashMap一共重载了4个构造方法，分别为：

HashMap()          构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。HashMap(int initialCapacity)          构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)          构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。HashMap(Map<? extendsK,? extendsV> m)          构造一个映射关系与指定 Map 相同的 HashMap。

看一下第三个构造方法源码，其它构造方法最终调用的都是它。

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {      // 参数判断，不合法抛出运行时异常      if (initialCapacity < 0)          throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                                             initialCapacity);      if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)          initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;      if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))          throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                                             loadFactor);      // Find a power of 2 >= initialCapacity      // 这里需要注意一下     //保证了初始容量一定为2的幂，假如你传的是5，那么最终的初始容量为8     int capacity = 1;      while (capacity < initialCapacity)          capacity <<= 1;      // 设置加载因子      this.loadFactor = loadFactor;      // 设置下次扩容临界值      threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);      // 初始化哈希表      table = new Entry[capacity];      useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&              (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);      init();  }

为什么HashMap容量一定要为2的幂呢？
HashMap中的数据结构是数组+单链表的组合，我们希望的是元素存放的更均匀，最理想的效果是，Entry数组中每个位置都只有一个元素，这样，查询的时候效率最高，不需要遍历单链表，也不需要通过equals去比较K，而且空间利用率最大。那如何计算才会分布最均匀呢？我们首先想到的就是%运算，哈希值%容量=bucketIndex，SUN的大师们是否也是如此做的呢？我们阅读一下这段源码：

/**  * Returns index for hash code h.  */  static int indexFor(int h, int length) {      return h & (length-1);  } 

这里h是通过K的hashCode最终计算出来的哈希值，并不是hashCode本身，而是在hashCode之上又经过一层运算的hash值，length是目前容量。这块的处理很有玄机，与容量一定为2的幂环环相扣，当容量一定是2^n时，h & (length - 1) == h % length，它俩是等价不等效的，位运算效率非常高，实际开发中，很多的数值运算以及逻辑判断都可以转换成位运算，但是位运算通常是难以理解的，因为其本身就是给电脑运算的，运算的是二进制，而不是给人类运算的，人类运算的是十进制，这也是位运算在普遍的开发者中间不太流行的原因(门槛太高)。这个等式实际上可以推理出来，2^n转换成二进制就是1+n个0，减1之后就是0+n个1，如16 -> 10000，15 -> 01111，那根据&位运算的规则，都为1(真)时，才为1，那0≤运算后的结果≤15，假设h <= 15，那么运算后的结果就是h本身，h >15，运算后的结果就是最后三位二进制做&运算后的值，最终，就是%运算后的余数，我想，这就是容量必须为2的幂的原因。HashTable中的实现对容量的大小没有规定，最终的bucketIndex是通过取余来运算的。

通常，默认加载因子 (.75) 在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点，可以想想为什么）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地降低 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子(实际上就是最大条目数小于初始容量*加载因子)，则不会发生 rehash 操作。
如果很多映射关系要存储在 HashMap 实例中，则相对于按需执行自动的 rehash 操作以增大表的容量来说，使用足够大的初始容量创建它将使得映射关系能更有效地存储。 当HashMap存放的元素越来越多，到达临界值(阀值)threshold时，就要对Entry数组扩容，这是Java集合类框架最大的魅力，HashMap在扩容时，新数组的容量将是原来的2倍，由于容量发生变化，原有的每个元素需要重新计算bucketIndex，再存放到新数组中去，也就是所谓的rehash。

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线程安全

HashMap所有集合类视图所返回迭代器都是快速失败的(fail-fast)，在迭代器创建之后，如果从结构上对映射进行修改，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败。注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在不同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。
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ConcurrentModificationException
HashMap是线程不安全的实现，而HashTable是线程安全的实现。

那在多线程下使用HashMap我们需要怎么做，几种方案：
ConcurrentModificationException
- 在外部包装HashMap，实现同步机制
- 使用Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(…));，这里就是对HashMap做了一次包装
- 使用java.util.Hashtable，效率最低
- 使用java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，相对安全，效率较高

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ArrayList的contains方法和HasMap的containsKey效率