Java集合 -- HashMap底层实现HashMap 的长度为什么是2的幂次方ConcurrentHashMap 和 HashtableConcurrentHashMap线程安全的实现

Posted 2022-03-14 CodeJiao

1. HashMap底层实现

Map存储键值对的数据结构是 数组+链表 的结构，结合了数组查询数据快和链表增删数据快的优点；用Entry[]存储键值对，Entry为类类型，类里面有四个属性：hash、K、V、next，分别存储哈希值、键对象、值对象、下一个Entry对象引用。

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1.1 JDK1.8之前

JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在⼀起使⽤也就是 链表散列。HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这⾥的 n 指的是数组的⻓度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存⼊的元素的 hash值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

扰动函数指的就是 HashMap 的 hash ⽅法。使⽤ hash ⽅法也就是扰动函数是为了防⽌⼀些实现⽐较差的 hashCode() ⽅法 换句话说使⽤扰动函数之后可以减少碰撞。

拉链法：将链表和数组相结合。也就是说创建⼀个链表数组，数组中每⼀个元素都是⼀个链表。若遇到哈希冲突（两个不相等的 key 产生了相等的 hash值），则将冲突的值加到链表中即可。（即一个链表可以存储多个键值对）

JDK 1.8 HashMap 的 hash ⽅法源码:

^（异或）：如果a、b两个值不相同，则异或结果为1。如果a、b两个值相同，异或结果为0。

对⽐⼀下 JDK1.7 HashMap 的 hash ⽅法源码：

相⽐于 JDK1.8 hash ⽅法 ，JDK 1.7 hash ⽅法的性能会稍差⼀点点，因为毕竟扰动了 4 次。

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1.2 JDK1.8之后

相⽐于之前的版本， JDK1.8之后在解决哈希冲突时有了⼤的变化，当链表⻓度⼤于阈值（默认为8）时，将链表转化为红⿊树，以减少搜索时间。

TreeMap、TreeSet以及JDK1.8之后的HashMap底层都⽤到了红⿊树。红⿊树就是为了解决⼆叉查找树的缺陷，因为⼆叉查找树在某些情况下会退化成⼀个线性结构。

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2. HashMap 的长度为什么是2的幂次方

为了能让 HashMap 存取高效，尽量较少碰撞，也就是要尽量把数据分配均匀。我们上面也讲到了过了，Hash 值的范围值-2147483648到2147483647，前后加起来大概40亿的映射空间，只要哈希函数映射得比较均匀松散，一般应用是很难出现碰撞的。但问题是一个40亿长度的数组，内存是放不下的。所以这个散列值是不能直接拿来用的。用之前还要先做对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来要存放的位置也就是对应的数组下标。这个数组下标的计算方法是 (n - 1) & hash，n 代表数组长度。

这个算法应该如何设计呢？

我们首先可能会想到采用%取余的操作来实现。

但是%操作中如果除数是2的幂次，则等价于与其除数减一的&操作，也就是说 hash % length == hash & (length - 1)的前提是 length 是2的 n 次方；

&运算：两个同时为1，结果为1，否则为0。

采用二进制位操作 &相对于%能够提高运算效率，这就解释了 HashMap 的长度为什么是2的幂次方。

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3. ConcurrentHashMap 和 Hashtable

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式上不同。

底层数据结构：

JDK1.7 ConcurrentHashMap 底层采用 分段的数组+链表 实现，JDK1.8 采用的数据结构跟HashMap1.8的结构一样，数组 + 链表 / 红黑二叉树。Hashtable 和 JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采用 数组+链表 的形式，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的；

实现线程安全的方式（重要）：

① 在JDK1.7的时候，ConcurrentHashMap（分段锁） 对整个桶数组进行了分割分段(Segment)，每一把锁只锁容器其中一部分数据，多线程访问容器里不同数据段的数据，就不会存在锁竞争，提高并发访问率。 到了 JDK1.8 的时候已经摒弃了Segment的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6以后 对 synchronized锁做了很多优化） 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在JDK1.8中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本；
② Hashtable(同一把锁) :使用 synchronized 来保证线程安全，效率非常低下。当一个线程访问同步方法时，其他线程也访问同步方法，可能会进入阻塞或轮询状态，如使用 put 添加元素，另一个线程不能使用 put 添加元素，也不能使用 get，竞争会越来越激烈效率越低。

两者的对比图：

JDK1.7的ConcurrentHashMap：

JDK1.8 的 ConcurrentHashMap（TreeBin: 红⿊⼆叉树节点 Node: 链表节点）：

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4. ConcurrentHashMap线程安全的实现

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4.1 JDK 1.7 实现

JDK1.7 ConcurrentHashMap：

⾸先将数据分为⼀段⼀段的存储，然后给每⼀段数据配⼀把锁，当⼀个线程占⽤锁访问其中⼀个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。

ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。

Segment 实现了 ReentrantLock，所以 Segment 是一种可重入锁（可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁。（连续调用多次lock方法会把自己阻塞住）），扮演锁的角色。HashEntry 用于存储键值对数据。

一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组。Segment 的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构，一个 Segment 包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是一个链表结构的元素，每个 Segment 守护着一个HashEntry数组里的元素，当对 HashEntry 数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的 Segment的锁。

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4.2 JDK 1.8 实现

JDK1.8 的 ConcurrentHashMap（TreeBin: 红⿊⼆叉树节点 Node: 链表节点）：

ConcurrentHashMap取消了Segment分段锁，采⽤CAS和synchronized来保证并发安全。数据结构跟HashMap1.8的结构类似，数组+链表/红⿊⼆叉树。Java 8在链表⻓度超过⼀定阈值（8）时将链表（寻址时间复杂度为O(N)）转换为红⿊树（寻址时间复杂度为O(log(N))）。

synchronized只锁定当前链表或红⿊⼆叉树的⾸节点，这样只要hash不冲突，就不会产⽣并发，效率⼜提升N倍。

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