容器Map和HashMap底层原理分析

map 接口

• 概述
  
  • 保存key-value的键值对，允许key和value为null值
  • key值不允许重复
  • 不推荐将可变对象 自定义对象作为key使用
  • map自身不能作为key，但可以作为value，也不推荐这么做
• 内部实现
  
  • 内部包含Entry接口
  • key和value保存在entry中
• 方法
  
  • clear()：清空
  • isEmpty()：空判断
  • containsKey()：包含key判断
  • containsValue()：包含value判断
  • get(key)：通过key取value
  • put()：放入元素
  • putAll(map)：将另一个map的值放入
  • size()：返回键值对的个数
  • 遍历
    
    • values()：返回value的集合视图，用于遍历value
    • entrySet()：返回entry的set集合视图，用于遍历entry，通过entry取key和value
    • keySet()：返回key的set集合视图，用于遍历key，然后可通过key取值value

HashMap

• 概述
  
  • 基于哈希表的map接口的实现，允许key和value为null值
  • 不保证顺序，尤其不保证顺序不变
  • HashMap的遍历性能与其底层容量和大小成比例，所以如果遍历性能重要时，不要把初始容量设置太高，也不要把加载因子设置太低
  • 加载因子过高会降低空间开销，但是会增加查询成本
  • 线程不安全
  • 迭代器是快速失败的，也是通过modcount值实现
• HashMap—数据结构的发展过程
  
  • 数组
    
    • 存储空间连续，占用内存会有浪费，所以空间复杂度大，但是查找复杂度小，特点是查询快，增删慢
  • 链表
    
    • 存储空间不连续，使用逻辑关联，内存占用相对宽松，所以空间复杂度小，但是查找复杂度大，特点是查找慢，增删快
  • 哈希表
    
    • 综合两者，使用哈希表
    • 数组加链表，数组的每个位置存储一个链表

• 底层实现

  • 基于哈希表的map的实现，即底层通过数组加链表实现
  • 哈希散列过程：将元素均匀分布于底层数组中
    
    • 主要通过hashcode和equals方法
    • 区分不同元素时，先计算hashcode，hashcode不一样肯定不是同一个元素
    • 如果hashcode一致时，通过equals方法确认是否相同
    • HashMap散列时，二次hash，通过hashcode再计算出一个hash值。使元素散列更均匀

  • 创建

    • 空构造时默认底层数组长度为16，加载因子为0.75
    • 可通过构造器确定数组长度length，不过最终长度为大于等于此length的2的n此方。
      
      • 举例：构造指定长度为7，实际长度为8
    • 可通过构造器确定加载因子
    • 可通过其他map构造一个新的HashMap

  • 存取过程

    • 如果key为null，那就放在数组的第一个位置
    • 根据key的hashcode计算出hash值，通过hash%length计算出数组中的位置（索引）index
      
      • 源码是计算：hash & length-1。
      • 两个计算一样，但是与运算更快
    • 索引相同的键值对会组成链表存入数组的该位置
    • 存储时，是存入entry内
      
      • entry包含hash，key，value，和next
        
        • hash代表key的哈希值
        • next即下个entry的引用来实现链表存储
      • 每次存储新entry时，新的entry会存入数组位置中
      • 然后entry.next指向老的entry
    • 通过key取value值时，也是如此先计算出数组索引，找到链表，然后遍历链表，通过equals方法找到和key相等的entry，再取出value值

  • 扩容过程

    • 扩容阀值：数组长度*加载因子
    • 当数组内元素个数达到扩容阀值时，会发生数组扩容
      
      • 不是数组被占用的位置数，而是所有元素的个数，即size属性，每次此加入元素都会加1
      • 即使所有元素都在数组的同一个位置，也会进行扩容
    • 数组扩容为原始数组大小的两倍，依然为2的指数次幂
    • 最大长度为2的30次方，此时扩容阀值int的最大值

  • 重新散列过程rehash

    • 底层数组扩容时，会对每个元素重新计算索引值，根据新索引值将元素放到新的位置
    • 高并发下，可能会出现环形链表，需要加锁解决，或换线程安全的map，如ConcurrentHashMap

• 方法

  • 基本都是实现的Map的方法

HashMap的数组容量为2的解释

hashMap源码获取元素的位置：

static int indexFor(int h, int length) {    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : length must be a non-zero power of 2";    //h:为插入元素的hashcode    //length:为map的容量大小    //&：与操作 比如 1101 & 1011=1001    return h & (length-1);}

• 效率因素
  
  • 如果length为2的次幂 则length-1 转化为二进制必定是11111……的形式，在二进制与操作中效率会非常的快
• 空间利用因素，即元素更均匀的分布在数组中
  
  • 如果length不是2的次幂，比如length为15，则length-1为14，对应的二进制为1110，在和h与操作时，最后一位都为0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大
  • 更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！即其他位置中的链表会变长，遍历会更慢

重新散列过程

• 源码过程简单了解（我源码没看懂，网上看来的）

当table需要扩容时，扩容后的table大小变为原来的两倍，接下来就是进行扩容后table的调整：
假设扩容前的table大小为2的N次方，元素的table索引为其hash值的后N位确定
那么扩容后的table大小即为2的N+1次方，则其中元素的table索引为其hash值的后N+1位确定，比原来多了一位
因此，table中的元素只有两种情况：
元素hash值第N+1位为0：不需要进行位置调整
元素hash值第N+1位为1：调整至原索引的两倍位置
在resize方法中，第45行的判断即用于确定元素hashi值第N+1位是否为0：
若为0，则使用loHead与loTail，将元素移至新table的原索引处
若不为0，则使用hiHead与hiHead，将元素移至新table的两倍索引处
扩容或初始化完成后，resize方法返回新的table

HashMap的红黑二叉树

这个完全看不懂，只是了解
JDK8引入红黑二叉树，目的还是使元素跟均匀分布，减少查询遍历的时间

• 解决的问题
  
  • 某些情况下，底层数组的几个位置中的链表很长很长
• 关键参数
  
  • TREEIFY_THRESHOLD=8
    
    • 链表转化为红黑树的阀值，即某个数组位置上链表超过8个就转化为红黑树结构
  • UNTREEIFY_THRESHOLD=6
    
    • 红黑树转化为链表的阀值，即某个数组位置上红黑树结构元素少于6个就转化为链表
  • MIN_TREEIFY_CAPACITY=64
    
    • 红黑树开始使用的数组容量阀值，即当数组容量达到此值时，才会发生上面两个转化过程

TreeMap

- 概述
- 底层红黑数实现，键不能为null，但是value值可以为null
- 所有的key必须可以排序
- 自然顺序
- Comparator接口排序
- 方法
- 取值：没有返回null
- ceilingEntry(key)：大于等于entry
- ceilingKey(key)：大于等于的key
- comparator()：返回比较器
- firstEntry()：第一个entry
- firdtKey()：第一个key
- floorEntry(key)：小于等于entry
- floorKey(key)：小于等于key
- higherEntry(key)：大于entry
- higherKey(key)：大于key
- lowerEntry(key)：小于entry
- lowerKey(key)：小于key
- lastEntry()：最后entry
- lastKey()：最后key
- subMap(start,end)：截取map，开始到结束-1
- headMap(key)：截取map，1到key-1
- 遍历
- desendingKeySet()
- desendingMap()
- entrySet()
- keySet()
- navigableKeySet()
- values()

Hashtable

• 概述

  • 基本与hashMap一致

• 与HashMap不同点

  • 直接附类不一样，Hashtable 基于 Dictionary 类，而 HashMap 是基于 AbstractMap
  • 只是线程安全，效率低一点
  • 键和值都不允许null值
  • 默认数组长度为11，默认加载因子为0.75
  • Hashtable的扩容长度为原始长度*2+1
  • 计算索引的方法不一样：
    哈希值和0x7FFFFFFF取与操作后，与数组容量取模
    因为一个对象的HashCode可以为负数,这样操作后可以保证它为一个正整数.然后以Hashtable的
    长度取模,得到该对象在Hashtable中的索引
    `int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
• 方法
  
  • keys():返回key的枚举，
  • elements()：返回value值的枚举

Properties

• 概述
  
  • 继承自Hashtable，键和值都是string，且可保存到流中或从流中加载
  • 用来保存属性列表
  • 大部分方法是线程安全的

WeakHashMap

• 以弱键实现的基于哈希表Map，底层数组加链表
• 键和值允许null值，与HashMap拥有相同的初始容量和加载因子
• 弱键：当某个键不再使用时，自动移除
• 线程不安全
• 迭代器快速失败的

LinkedHashMap

• 概述
  
  • 继承自HashMap，底层数组加链表，不过它是双向列表，HashMap是单向列表
  • 元素有迭代顺序，就是插入的顺序
  • 提供特殊的构造方法来创建链接哈希映射，该哈希映射的迭代顺序就是最后访问其条目的顺序，从近期访问最少到近期访问最多的顺序（访问顺序）。这种映射很适合构建 LRU 缓存
  • 与HashMap相同的初始容量和加载因子
  • 线程不安全
    
    • 迭代器快速失败
    • 迭代器的性能主要与容器内元素个数决定，与容量没关系。

ConcurrentHashMap

• 概述
  
  • 行为与Hashtable类似，底层数组加链表，线程安全
  • 但是取操作不加锁，更新操作时分段锁
  • 初始容量16，加载因子0.75