【11】Java集合：HashMap深度解析（一）

写在文章的前面

关于HashMap，你应该知道的十一点知识：

1. HashMap的父亲是谁？孩子是谁？兄弟有哪些？
2. HashMap与HashTable的区别？
3. 数据结构中数组与链表各自的优势、劣势
4. HashMap的数据结构
5. equals 与 hashCode 的关系
6. HashMap如何完成存值、取值？
7. 桶的概念
8. Hashmap中解决碰撞的办法
9. HashMap初建的大小、什么是负载因子
10. 当键的hashcode相同，如何获取值对象
11. HashMap多线程的条件竞争

一、HashMap

1.1、HashMap与HashTable的区别？

记得之前去一家公司面试，问到了HashMap里是如何存放键值对的，我并不知道，然后面试官很有耐心的和我讲里面的一些细节。感恩。

还有一个经常被问到的问题是：HashMap与HashTable有什么区别？答案很轻易找到。HashMap 是Hashtable 的轻量级实现（非线程安全的实现），他们都完成了Map 接口，主要区别在于：

1. hashMap去掉了HashTable 的contains方法，但是加上了containsValue（）和 containsKey（）方法。
2. hashTable同步的，而HashMap是非同步的，效率上逼hashTable要高。
3. hashMap允许空键值，而hashTable不允许。

HashMap是最常用的集合类框架之一，它实现了Map接口，所以存储的元素也是键值对映射的结构，并允许使用null值和null键，其内元素是无序的，如果要保证有序，可以使用LinkedHashMap。HashMap是线程不安全的，下篇文章会讨论。

1.2、官方介绍HashMap的定义：

Hash table based implementation of the Map interface. This implementation provides all of the optional map operations, and permits null values and the null key. (**The HashMap class is roughly equivalent to Hashtable, except that it is unsynchronized and permits nulls.)** This class makes no guarantees as to the order of the map; in particular, it does not guarantee that the order will remain constant over time.

HashMap的类结构如下：

与HashMap相关的其他类：

1.3、HashMap的数据结构

数据结构中有数组和链表来实现对数据的存储，但这两者基本上是两个极端。

1.3.1、数组

数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；

1.3.2、链表

链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。

1.3.3、哈希表

那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表。哈希表（(Hash table）既满足了数据的查找方便，同时不占用太多的内容空间，使用也十分方便。

　　哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法，我们可以理解为“链表的数组” ，如图：

从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。

　　HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。

　　首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。

rivate static final Entry[] EMPTY_TABLE            = new HashMapEntry[MINIMUM_CAPACITY >>> 1];static class HashMapEntry<K, V> implements Entry<K, V> {        final K key;        V value;        final int hash;        HashMapEntry<K, V> next;//Entry包含了getKey，getValue，hashCode，next方法；        HashMapEntry(K key, V value, int hash, HashMapEntry<K, V> next) {            this.key = key;            this.value = value;            this.hash = hash;            this.next = next;        }        public final K getKey() {            return key;        }        public final V getValue() {            return value;        }        public final V setValue(V value) {            V oldValue = this.value;            this.value = value;            return oldValue;        }        @Override public final boolean equals(Object o) {            if (!(o instanceof Entry)) {                return false;            }            Entry<?, ?> e = (Entry<?, ?>) o;            return Objects.equal(e.getKey(), key)                    && Objects.equal(e.getValue(), value);        }        @Override public final int hashCode() {            return (key == null ? 0 : key.hashCode()) ^                    (value == null ? 0 : value.hashCode());        }        @Override public final String toString() {            return key + "=" + value;        }    }

二、HashMap如何保证key的唯一性？

2.1、hashCode与equals的区别

HashMap中我们最长用的就是put(K, V)和get(K)。我们都知道，HashMap的K值是唯一的，那如何保证唯一性呢？我们首先想到的是用equals比较，没错，这样可以实现，但随着内部元素的增多，put和get的效率将越来越低，这里的时间复杂度是O(n)，假如有1000个元素，put时需要比较1000次。实际上，HashMap很少会用到equals方法，因为其内通过一个哈希表管理所有元素，哈希是通过hash单词音译过来的，也可以称为散列表，哈希算法可以快速的存取元素，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。

现在我们知道，执行put方法后，最终HashMap的存储结构会有这三种情况，情形3是最少发生的，哈希码发生碰撞属于小概率事件。到目前为止，我们了解了两件事：

1. HashMap通过键的hashCode来快速的存取元素。
2. 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)。

2.2、HashMap中put方法源码：

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;  }  

我们了解了HashMap工作原理的一部分，那还有另一部分，如，加载因子及rehash，HashMap通常的使用规则，多线程并发时HashMap存在的问题等。

参考致谢【都是写得逻辑清晰的好文】：
（1）、http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/16843543/
（2）、 java提高篇（二三）—–HashMap
（3）、HashMap实现原理分析
（4）、HashMap的设计原理和实现分析
（5）、HashMap的工作原理