HashMap——八股文必背

HashMap底层原理是什么？

HashMap就是以key-value形式存储数据的一种数据结构，在我们平常开发中非常常用，它在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 中底层数据结构是有些不一样的。总体来说，在JDK1.7中它的底层实现是数组加链表使用 Entry 类存储 Key 和 Value，，而在1.8之后底层实现则是数组加链表加红黑树使用 Node 类存储 Key 和 Value。当然，这里的 Entry 和 Node 并没有什么不同，我们来看看 Node 类的源码：

// HashMap 1.8 内部使用这个数组存储所有键值对
transient Node<K,V>[] table;

每一个节点都会保存自身的 hash、key 和 value、以及下个节点。咱先画个简略的 HashMap 示意图：

因为HashMap本身所有的位置都是null，所以在插入元素的时候即 put 操作时，会根据 key 的 hash 去计算出一个 index 值，也就是这个元素将要插入的位置。
举个例子：比如 put(“小牛肉”，20)，我插入了一个 key 为 “小牛肉” value 为 20 的元素，这个时候我们会通过哈希函数计算出这个元素将要插入的位置，假设计算出来的结果是 2：

我们刚刚还提到了链表，Node 类里面也确实定义了一个 next 属性，那么为啥需要链表呢？

首先，数组的长度是有限的对吧，在有限的数组上使用哈希，那么哈希冲突是不可避免的，很有可能两个元素计算得出的 index 是相同的，那么如何解决哈希冲突呢？拉链法。也就是把 hash 后值相同的元素放在同一条链表上。比如说：

当然拉链法并不是一劳永逸的，因为数组大小始终是有限的，如果我们的数据量很大，那么必定会有很多个节点hash出来的节点值是一样的，哈希冲突会很严重。那么这种情况下链表就会越来越长，这对我们的数据查询肯定是不利的。（链表没有索引，每次查询都需要遍历一次链表）。为了解决这个问题，JDK1.8做出了改进——引入红黑树
当链表的长度大于8的时候，会将链表转换成红黑树，但是转换之前会查看table数组的长度是否大于64，如果数组的长度小于 64，那么 HashMap 会优先选择对数组进行扩容 resize，而不是把链表转换成红黑树。

我们来看一下JDK1.8的HashMap示意图

当有新的节点插入链表时是如何插入的？（1.7和1.8）

在JDK1.7的时候采用的是头插法，如图所示

不过JDK1.8中改成了尾插法，原因就是因为在多线程情况下，头插法容易造成循环链表
首先，我们之前提到，数组容量是有限的，如果数据多次插入并到达一定的数量就会进行数组扩容，也就是resize 方法。什么时候会进行 resize 呢？与两个因素有关：

1）Capacity：HashMap 当前最大容量/长度
2）LoadFactor：负载因子，默认值0.75f

如果当前存入的数据的数量大于Capacity*LoadFactor的时候，就会进行数组扩容 resize。比如说当前HashMap的最大容量为100，负载因子为0.75，那么当我们存进第76个数据的时候，判断发现需要进行 resize了，那就进行扩容。当然，HashMap 的扩容不是简单的扩大点容量这么简单的。

扩容 resize 分为两步：
1）扩容：创建一个新的 Entry/Node 空数组，长度是原数组的 2 倍
2）ReHash：遍历原 Entry/Node 数组，把所有的 Entry/Node 节点重新 Hash 到新数组
为什么要ReHash呢，像数组一样复制过来不就可以了吗？
显然是不行的，因为数组的长度改变以后，Hash 的规则也随之改变。
index 的计算公式是这样的：
index = HashCode(key) & (Length - 1)
举个例子，数组原来的长度（Length）是 4，Hash 出来的值是 2 ，然后数组长度翻倍了变成 16，显然 Hash 出来的值也就会变了。画个图解释下：
（原本两个hash值一样的数据节点扩容之后反而不一样了）

看完扩容机制，我们还是回归主题，为什么使用头插法可能会出现循环链表
我们看一下JDK1.7的resize源码

transfer 方法是 resize 的核心，它的的功能就是 ReHash，然后将原数组中的数据迁移到新数据。我们先来把 transfer 代码简化一下，方便下文的理解：

先来看看单线程情况下，正常的 resize 的过程。假设我们原来的数组容量为 2，记录数为 3，分别为：[3,A]、[7,B]、[5,C]，并且这三个 Entry 节点都落到了第二个节点里面，新数组容量会被扩容到 4。

OK，那现在如果我们有两个线程 Thread1 和 Thread2，假设线程 Thread1 执行到了 transfer 方法的 Entry next = e.next 这一句，然后时间片用完了被挂起了。随后线程 Thread2 顺利执行并完成 resize 方法。于是我们有下面这个样子：

注意，Thread1 的 e 指向了 [3,A]，next 指向了 [7,B]，而在线程 Thread2 进行 ReHash后，e 和 next 指向了线程 Thread2 重组后的链表。我们可以看到链表的顺序被反转了。
这个时候线程 Thread1 被重新调度执行，先是执行 newTalbe[i] = e，i 就是 ReHash 后的 index 值：

然后执行e = next，导致了 e 指向了 [7,B]，而下一次循环执行到 next = e.next 时导致了 next 指向了 [3,A]（因为线程2resize后的数组[7,B]的next是[3,A]）

然后，线程 Thread1 继续执行。把旧数组的 [7,B] 摘下来，放到 newTable[i] 的第一个，然后把 e 和 next 往下顺移(循环链表出现)：

由于 JDK 1.7 中 HashMap 使用头插会改变链表上元素的的顺序，在旧数组向新数组转移元素的过程中修改了链表中节点的引用关系，因此 JDK 1.8 改成了尾插法，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，避免了链表成环的问题。

HashMap数组的默认初始长度是多少，为什么设定为这个长度？

默认数组长度是 16，其实只要是 2 的次幂都行，至于为啥是 16 呢，我觉得应该是个经验值问题，Java 作者应该是觉得 16 这个长度最为常用。

那为什么数组长度得是 2 的次幂呢？

首先，一般来说，我们常用的 Hash 函数是这样的：index = HashCode(key) % Length，但是因为位运算的效率比较高嘛，所以 HashMap 就相应的改成了这样：index = HashCode(key) & (Length - 1)。
那么为了保证根据上述公式计算出来的 index 值是分布均匀的，我们就必须保证 Length 是 2 的次幂。
解释:**2 的次幂，也就是 2 的 n 次方，它的二进制表示就是 1 后面跟着 n 个 0，那么 2 的 n 次方 - 1 的二进制表示就是 n 个 1。**而对于 & 操作来说，任何数与 1 做 & 操作的结果都是这个数本身。也就是说，index 的结果等同于 HashCode(key) 后 n 位的值，只要 HashCode 本身是分布均匀的，那么我们这个 Hash 算法的结果就是均匀的。

以HashMap为例，为什么重写equals方法的同时还要重写hashCode方法？

我们说到equals方法，肯定要回顾一下==
1）如果是基本数据类型，比较的是内容是否相等
2）如果是引用类型，比较的是内存地址是否相等
那么equals方法也有两种情况
1）如果没有重写equals方法，则通过 equals() 比较该类的两个对象时，等价于通过 == 比较这两个对象（比较的是地址）。
2）如果重写了equals方法，那么比较两个对象时比较的是引用的内容是否一样，比如 String 类就是这样做的。当然，你也可以不这样做。
然后还需要明确的一点，如果不重写hashCode，那么所有对象的hashCode()值都不相等
回到问题，为什么重写 equals 方法的时候还需要重写 hashCode 方法呢？
以 HashMap 为例，**HashMap 是通过 hashCode(key) 去计算寻找 index 的，**如果多个 key 哈希得到的 index 一样就会形成链表，那么如何在这个具有相同 hashCode 的对象链表上找到某个对象呢？
那就必须通过重写equals来比较两个对象的值，总体来说，HashMap 中get(key) 一个元素的过程是这样的，先比较 key 的 hashcode() 是否相等，若相等再通过 equals() 比较其值，若 equals() 相等则认为他们是相等的。若 equals() 不相等则认为他们不相等。
如果我们只重写equals而不重写hashCode()，那么就会出现一个情况，相同的对象但是hashCode出来的值不一致，就是说在判断的第一步 HashMap 就会认为这两个对象是不相等的，那显然这是错误的。

HashMap的线程不安全体现在哪里？

JDK1.7的线程不安全已经提及过时因为采用头插法所以会导致环形链表的出现，那么在
JDK1.8虽然采用尾插法避免了环形链表，但是仍然是线程不安全的
我们看一下1.8版本的put方法

注意上图我圈出来的代码，如果没有发生 Hash 冲突就会直接插入元素。
假设线程 1 和线程 2 同时进行 put 操作，恰好这两条不同的数据的 hash 值是一样的，并且该位置数据为null，这样，线程 1 和线程 2 都会进入这段代码进行插入元素。假设线程 1 进入后还没有开始进行元素插入就被挂起，而线程 2 正常执行，并且正常插入数据，随后线程 1 得到 CPU 调度进行元素插入，这样，线程 2 插入的数据就被覆盖了。
总结
1）JDK1.7不安全是因为采用了头插法，所以在多线程情况下可能会出现环形链表
2）JDK1.8线程不安全是因为put方法没有上锁，所以在多线程情况下可能出现某个线程插入的数据被覆盖。

如何保证HashMap线程安全？

1）加锁——使用 java.util.Collections 类的 synchronizedMap 方法包装一下 HashMap，得到线程安全的 HashMap，其原理就是对所有的修改操作都加上 synchronized。方法如下：

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) 

2）使用线程安全的 HashTable 类代替，该类在对数据操作的时候都会上锁，也就是加上 synchronized（效率太低，加锁系统的开销也很大）

3）使用线程安全的 ConcurrentHashMap 类代替，该类在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 的底层原理有所不同，JDK 1.7 采用数组 + 链表存储数据，使用分段锁 Segment 保证线程安全；JDK 1.8 采用数组 + 链表/红黑树存储数据，使用 CAS + synchronized 保证线程安全。

标签：key,必背,八股文,HashMap,equals,链表,线程,数组
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