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HashMap的實現(xiàn)原理是什么？
HashMap是一個高頻的面試題，那么如何才能回答的比較合適呢？
以下是jdk1.7與jdk1.8中hashmap的區(qū)別：
概括下可以從以下幾個方面來回答：
HashMap是一個基于Hash散列技術(shù)，以鍵值對形式存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
JDK 1.8 之前的 HashMap 使用的數(shù)組+鏈表的結(jié)構(gòu)，插入時使用頭插法。
JDK 1.8 之后的 HashMap 使用的數(shù)組+鏈表/紅黑樹的結(jié)構(gòu)，插入時使用頭插法。
JDK 1.8 之前的 HashMap 使用的是拉鏈法（Chaining）作為沖突解決策略。
JDK 1.8 引入了紅黑樹作為替代鏈表的沖突解決策略。
當哈希表中的元素數(shù)量超過一定閾值時，HashMap 會自動進行擴容，以保持較低的負載因子，從而提高性能。
可以從以下幾個方面來回答：
HashMap是一個基于Hash散列技術(shù)，以鍵值對形式存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
HashMap內(nèi)部維護一個數(shù)組，這個數(shù)組的每個位置都是一個鏈表或紅黑樹的頭節(jié)點。這些節(jié)點用于存儲鍵值對。
|
jdk1.8之前 |
jdk1.8之后(含1.8) | |
|
結(jié)構(gòu) |
數(shù)組+鏈表 |
數(shù)組+鏈表/紅黑樹 |
|
數(shù)組類型 |
Entry數(shù)組 |
Node數(shù)組 |
JDK1.8之前的 HashMap 由 Entry 數(shù)組組成，Entry 類是 HashMap 中存儲鍵值對的類。Entry 類包含 key、value 和 next 三個屬性。key 是鍵，value 是值，next 是指向下一個 Entry 對象的指針，出現(xiàn) hash 沖突存放到鏈表中。具體源碼是通過 put() 方法實現(xiàn)的。
public V put(K key, V value) {
// 如果哈希表為空，則對其進行申請數(shù)組空間
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
// 如果 key 為 null，則將其放入 null 鍵的特殊位置
if (key == null) {
return putForNullKey(value);
}
// 計算 key 的哈希值
int hash = hash(key);
// 根據(jù)哈希值和哈希表的長度計算索引位置
int i = indexFor(hash, table.length);
// 遍歷索引位置上的鏈表，尋找 key
for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
// 如果 key 相同，則更新 value 并返回舊值
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;
}
}
// 如果 key 不存在，則添加一個新的鏈表成員
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
} put() 方法首先計算 key 的 hash 值，然后定位到數(shù)組索引位置。如果數(shù)組索引位置上已經(jīng)存在 Entry 對象，則判斷 key 是否相同。如果相同則直接覆蓋value，否則添加到鏈表中。如果數(shù)組索引位置上不存在 Entry 對象，則直接添加到數(shù)組中。
static class Entry implements Map.Entry {
final int hash;
final K key;
V value;
Entry next;
Entry(int hash, K key, V value) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
}
@Override
public K getKey() {
return key;
}
@Override
public V getValue() {
return value;
}
@Override
public V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
if (this == o) return true;
if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
Entry entry = (Entry) o;
return hash == entry.hash &&
Objects.equals(key, entry.key) &&
Objects.equals(value, entry.value);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(hash, key, value);
}
@Override
public String toString() {
return key + "=" + value;
}
} 鏈表的每個元素是一個 Entry 對象，Entry 對象包含 key、value、hash 和 next 四個屬性。key 是鍵，value 是值，hash 是 key 的 hash 值，next 是指向下一個 Entry 對象的指針。
當 HashMap 出現(xiàn) hash 沖突時，會將新的 Entry 對象添加到鏈表的尾部。鏈表的查詢性能較差，當鏈表長度過長時，會影響 HashMap 的查詢性能。
關(guān)鍵一：
先通過indexFor下標定位到的數(shù)組元素位置，再遍歷這個元素(鏈表)，依次和鏈表中的key比較，如果 key 相同就直接覆蓋，不同就采用頭插法插入元素。
關(guān)鍵二：
頭插法的實現(xiàn)主要涉及到兩個方法：addEntry 和 createEntry。addEntry 方法用于判斷是否需要擴容，并調(diào)用 createEntry 方法將鍵值對存入數(shù)組中。createEntry 方法用于創(chuàng)建一個新的節(jié)點，并將其 next 屬性指向原來的鏈表頭節(jié)點，然后將新節(jié)點賦值給數(shù)組對應(yīng)位置，完成頭插法。
插入元素使用createEntry，新元素會的next指向table[bucketIndex]也就是鏈表的頭節(jié)點。
JDK1.8的 HashMap 由 Node 數(shù)組組成，Node 類是 HashMap 中存儲鍵值對的類。Node 類包含 key、value、hash、next 和 prev 五個屬性。key 是鍵，value 是值，hash 是 key 的 hash 值，next 是指向下一個 Node 對象的指針，prev 是指向前一個 Node 對象的指針。
JDK1.8之后的 HashMap 由 Node 數(shù)組組成，出現(xiàn) hash 沖突存放到鏈表中同時滿足條件的情況下會生成紅黑樹。具體源碼是通過 put() 方法實現(xiàn)的。
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
// 獲取哈希表
Node[] tab = table;
// 如果哈希表為空或長度為0，則進行擴容
if (tab == null || tab.length == 0) {
tab = resize();
}
// 計算索引位置
int n = tab.length;
int i = (n - 1) & hash;
// 如果索引位置上的節(jié)點為空，則添加一個新的節(jié)點
Node p = tab[i];
if (p == null) {
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
} else {
// 如果索引位置上的節(jié)點存在，則遍歷鏈表，尋找 key 相同的節(jié)點
Node e; K k;
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
e = p;
} else if (p instanceof TreeNode) {
// 如果索引位置上的節(jié)點是紅黑樹節(jié)點，則調(diào)用紅黑樹的 putTreeVal() 方法添加新的節(jié)點
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
} else {
// 如果索引位置上的節(jié)點是鏈表節(jié)點，則遍歷鏈表，尋找 key 相同的節(jié)點
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
// 如果沒有找到 key 相同的節(jié)點，則在鏈表尾部添加一個新的節(jié)點
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果鏈表長度超過閾值，則將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) {
treeifyBin(tab, hash);
}
break;
}
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
// 如果找到 key 相同的節(jié)點，則停止遍歷
break;
}
p = e;
}
}
if (e != null) { // 找到 key 相同的節(jié)點
// 獲取舊值
V oldValue = e.value;
// 如果只有 key 不存在才添加新的節(jié)點，則僅當舊值為 null 時才更新值
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) {
e.value = value;
}
// 調(diào)用 afterNodeAccess() 方法更新節(jié)點的訪問時間
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// 添加新的節(jié)點后，更新 HashMap 的大小和修改次數(shù)
++modCount;
if (++size > threshold) {
resize();
}
// 調(diào)用 afterNodeInsertion() 方法更新節(jié)點的插入狀態(tài)
afterNodeInsertion(evict);
return null;
} put() 方法在添加元素時，會先判斷數(shù)組索引位置上是否已經(jīng)存在 Node 對象。如果已經(jīng)存在，則判斷 key 是否相同。如果相同則更新 value，否則添加到鏈表中。
如果鏈表長度超過閾值，則將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹。閾值的默認值是 8。
treeifyBin() 方法的實現(xiàn)如下：
final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) {
// 如果哈希表為空或長度小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY，則進行擴容
int n, index; Node e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) {
resize();
} else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
// 獲取索引位置上的節(jié)點
TreeNode hd = null, tl = null;
// 遍歷鏈表，將每個節(jié)點轉(zhuǎn)換為紅黑樹節(jié)點
do {
TreeNode p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null) {
hd = p;
} else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
// 將轉(zhuǎn)換后的紅黑樹節(jié)點添加到哈希表中
if ((tab[index] = hd) != null) {
hd.treeify(tab);
}
}
} treeifyBin() 方法首先判斷鏈表的長度是否超過閾值。如果超過閾值，則將鏈表的第一個元素作為紅黑樹的根節(jié)點。
然后，將鏈表中的所有元素添加到紅黑樹中。
最后，將紅黑樹的根節(jié)點添加到數(shù)組中。
這樣，當 HashMap 出現(xiàn) hash 沖突存放到鏈表中同時滿足條件的情況下，會將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹，提高查詢性能。
關(guān)鍵一：
當鏈表的節(jié)點數(shù)量達到閾值(默認為 8 )，執(zhí)行 treeifyBin 方法。
關(guān)鍵二：
進入treeifyBin方法后還有一個邏輯就是當數(shù)組長度大于或者等于 64 的情況下，才會執(zhí)行轉(zhuǎn)換紅黑樹操作，以減少搜索時間。否則，就是只是對數(shù)組擴容。所以鏈表長度大于閾值不是轉(zhuǎn)為紅黑樹的唯一條件。
關(guān)鍵三：
區(qū)別于jdk1.7，jdk1.8已經(jīng)使用了尾插法實現(xiàn)鏈表元素的插入。
主要是因為頭插法在多線程擴容情況下會引起鏈表環(huán)。那什么是鏈表環(huán)呢？
線程1，第一節(jié)點為A，第二節(jié)點為B后面就沒有了，遍歷過程為A->B然后B沒有后面節(jié)點即遍歷結(jié)束。
這時線程1掛起。線程2引發(fā)擴容，擴容后為B->A。這時線程1遍歷就會發(fā)現(xiàn)A的下一節(jié)點是B，會發(fā)現(xiàn)遍歷B時B還有后續(xù)的節(jié)點為A，這樣就出樣鏈表環(huán)了。
在 Java 的 HashMap 中，Node 和 Entry 都是用于表示鍵值對的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它們在不同版本的 HashMap 中有一些區(qū)別：
Node 和 Entry 都用于表示鍵值對，但它們的命名和實現(xiàn)方式在不同的 Java 版本中有所不同。Node 主要用于 JDK 1.8 及之后的 HashMap，而 Entry 主要用于 JDK 1.7 及之前的 HashMap。Node 進一步改進了哈希沖突的處理方式，引入了紅黑樹來提高性能。
JDK 1.8 之前的 HashMap 使用的是拉鏈法（Chaining）作為沖突解決策略。
HashMap 通過 key 的 hashCode 經(jīng)過擾動函數(shù)處理過后得到 hash 值，然后通過 (n - 1) & hash 判斷當前元素存放的位置，如果當前位置存在元素的話，就判斷該元素與要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的話，直接覆蓋，不相同就通過拉鏈法解決沖突。以下就是JDK1.7中的hashcode擾動函數(shù)。
JDK 1.8 中，HashMap 使用了拉鏈法和紅黑樹兩種沖突解決策略。當鏈表長度超過一定閾值時，會將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹。紅黑樹是一種自平衡二叉樹，具有較高的查詢性能。以下就是JDK1.8中的hashcode擾動函數(shù)。
JDK1.8 中的 HashMap 在查詢性能上比 JDK1.7 中的 HashMap 有一定的提升。
以下是 JDK1.7 和 JDK1.8 中 HashMap 解決哈希沖突方法的具體對比：
JDK1.8 中的 HashMap 解決哈希沖突的方法更加靈活，可以適應(yīng)不同的場景。
當哈希表中的元素數(shù)量超過一定閾值時，HashMap 會自動進行擴容，以保持較低的負載因子，從而提高性能。
Java HashMap 使用負載因子來控制擴容。負載因子是指 HashMap 中鍵值對數(shù)與 HashMap 容量的比值。
HashMap 的初始容量為 16，負載因子為 0.75。這意味著，當 HashMap 中鍵值對數(shù)達到 16 * 0.75 = 12 時，HashMap 就會進行擴容。
HashMap 的擴容方式是將容量擴大為原來的 2 倍。例如，當 HashMap 的容量為 16 時，擴容后容量為 32。
HashMap 擴容的原因是，當 HashMap 的負載因子達到一定值時，HashMap 的查詢性能會下降。這是因為，當 HashMap 的容量較小，并且鍵值對數(shù)較多時，會導(dǎo)致哈希沖突的概率增加。
因此，HashMap 會在負載因子達到一定值時進行擴容，以提高查詢性能。
以下是 HashMap 擴容的具體步驟：
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