Java程序员必须掌握的数据结构：HashMap

HashMap底层原理实现是每个Java Boy必须掌握的基本技能，HashMap也是业务开发每天都需要遇到的好伙伴。如此基础且核心的底层数据结构，JDK也给其赋予了线程安全的功能类，我们来看看~

🌱以【面试官面试】形式覆盖Java程序员所需掌握的Java核心知识、面试重点，本博客收录在我开源的《Java学习指南》中，会一直完善下去，希望收到大家的 ⭐ Star ⭐支持，这是我创作的最大动力： https://github.com/hdgaadd/JavaGetOffer

1. HashMap内部结构

面试官：你说下HashMap的内部结构？

好的面试官。

HashMap内部存储数据的对象是一个实现Entry接口的Node数组，也称为哈希桶transient Node<K,V>[] table，后面我们称Node数组为Entry数组。Entry数组初始的大小是16。

Node节点的内部属性key、value分别代表键和值，hash代表key的hash值，而next则是指向下一个链表节点的指针。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
   
   
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;
}

1.1 键值的添加流程

面试官：那一个键值是怎么存储到HashMap的？

首先会调用hash方法计算key的hash值，通过key的hashCode值与key的hashCode高16位进行异或运算，使hash值更加随机与均匀。

static final int hash(Object key) {
   
   
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

再通过该hash值与Entry数组的长度相与，得到要存储到的索引位置int index = (table.length - 1) & hash。如果该索引位置是空的，会把键值直接添加到表头，如果哈希冲突了则会用链表法形成一条链表。

数据添加后，会判断当前容量是否到达了threshold阈值，threshold等于负载因子loadFactor * table.length。负载因子默认是0.75，threshold第一次扩容时为0.75 16 = *12。

如果到达阈值了则会对Entry数组进行扩容，扩容成为原来两倍容量的Entry数组。

1.2 红黑树

面试官：HashMap链表还会转换成什么？

当链表长度 >= 8时，会把链表转换为红黑树。

是这样的，HashMap的链表元素如果数量过多，查询效率会越来越低，所以需要将链表转换为其他数据结构。而二叉搜索树这种数据结构是绝对的子树平衡，左节点比父节点小，右节点比父节点大，在极端情况会退化为链表结构。

而红黑树放弃了绝对的子树平衡，转而追求的是一种大致平衡，在极端情况下的数据查询效率更优。

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
   
   
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;
}

2. 线程安全的Map

2.1 线程不安全的HashMap

面试官：HashMap为什么线程不安全？

一、在多线程环境下，可能会出现数据覆盖的问题。

例如前面提到如果索引位置为空则直接添加到表头，如下面源码所示。此时如果有两个线程同时进入if语句，线程A把数据插入到表头，接着线程B把他的数据覆盖到表头，这样就产生了数据覆盖的问题，线程A的数据相当于消失了。

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

二、另外在多线程环境下，还可能会出现数据不一致的问题。

在插入数据后，判断是否需要扩容是以下代码。

if (++size > threshold)
    resize();

若两个线程同时进入了++size代码块，对size的修改分为三个步骤：读取、计算、赋值。线程A、线程B同时读取了size是0，两者计算时size都为1，后面赋值时把size = 1赋值给了size两次。

但实际上期望的size应该是2，此时就出现了数据不一致的问题，Entry数组的容量会出现错误。

2.2 线程安全的ConcurrentHashMap

面试官：有线程安全的Map吗？

有的，JDK提供了线程安全的ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap对于底层Entry数组、size容量都添加了可见性的修饰，保证了其他线程能实时监听到该值的最新修改。

transient volatile Node<K,V>[] table;
private transient volatile int sizeCtl;

在添加键值的操作，对元素级别进行加锁。若该索引位置不存在元素，则使用乐观锁CAS操作来添加值，而CAS是原子操作，不怕多线程的干扰。

若该索引位置存在元素，则使用synchronized对该索引位置的头节点进行加锁操作，保证整条链表同一时刻只有一个线程在进行操作。

另外在JDK7版本中ConcurrentHashMap的实现和JDK8不同。

JDK7版本的数据结构是大数组Segment + 小数组HashEntry，其中小数组HashEntry的每个元素是一条链表，一个Segment是一个HashEntry数组。对每个Segment即每个分段，使用ReentrantLock进行加锁操作。

可以看到JDK8版本相比JDK版本的实现锁粒度更小，且JDK8版本的链表还可以升级为查询效率高的红黑树，所以JDK7版本的ConcurrentHashMap目前被JDK8版本的代替了。

2.3 HashTable和ConcurrentHashMap区别

面试官：HashTable和ConcurrentHashMap有什么区别吗？

HashTable也是线程安全的Map，不过它不仅对修改操作添加加锁操作，获取操作也进行了加锁。

public synchronized V put(K key, V value)
public synchronized V get(Object key)

而ConcurrentHashMap没有对get进行加锁处理，不适用于强一致性的场景。例如要求获取操作必须严格获取到最新的值，这种强一致性场景则更适合使用HashTable。

另外HashTable和HashMap、ConcurrentHashMap还有以下不同。

1. HashTable继承了Dictionary，而HashMap、ConcurrentHashMap继承了AbstractMap
2. HashTable初始容量为11，HashMap、ConcurrentHashMap是16
3. HashTable扩容为原来的2n+1，HashMap、ConcurrentHashMap是扩容为原来的2n

未完待续。。。

创作不易，不妨点赞、收藏、关注支持一下，各位的支持就是我创作的最大动力❤️