集合 HashMap 的原理，与 HashtableConcurrentHashMap 的区别

Posted 2021-03-26 sawyerfly

一、HashMap 的原理

 

 

 

 

1.HashMap简介

简单来讲，HashMap底层是由数组+链表的形式实现，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，如果定位到的数组位置不含链表（当前entry的next指向null）,那么对于查找，添加等操作很快，仅需一次寻址即可；如果定位到的数组包含链表，对于添加操作，首先遍历链表，存在即覆盖，否则新增；对于查找操作来讲，仍需遍历链表，然后通过key对象的equals方法逐一比对查找。当新建一个HashMap的时候，就会初始化一个数组（数组默认大小是16），可以允许存入null键和null值，线程不安全。

源码如下：

/**
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
 */
transient Entry[] table;

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

可以看出，Entry就是数组中的元素，每个 Map.Entry 其实就是一个key-value对，它持有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。

2.HashMap存储和读取 源码如下:

 1 //存储
 2 public V put(K key, V value) {
 3     // HashMap允许存放null键和null值。
 4     // 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。
 5     if (key == null)
 6         return putForNullKey(value);
 7     // 根据key的keyCode重新计算hash值。
 8     int hash = hash(key.hashCode());
 9     // 搜索指定hash值在对应table中的索引。
10     int i = indexFor(hash, table.length);
11     // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。
12     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
13         Object k;
14         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
15             // 如果发现已有该键值，则存储新的值，并返回原始值
16             V oldValue = e.value;
17             e.value = value;
18             e.recordAccess(this);
19             return oldValue;
20         }
21     }
22     // 如果i索引处的Entry为null，表明此处还没有Entry。
23     modCount++;
24     // 将key、value添加到i索引处。
25     addEntry(hash, key, value, i);
26     return null;
27 }
28 
29 //读取
30 public V get(Object key) {
31     if (key == null)
32         return getForNullKey();
33     int hash = hash(key.hashCode());
34     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
35         e != null;
36         e = e.next) {
37         Object k;
38         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
39             return e.value;
40     }
41     return null;
42 }
43 
44 //hash算法
45 static int hash(int h) {
46     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
47     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
48 }

 

根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

我们可以看到在HashMap中要找到某个元素，需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过HashMap的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个HashMap里面的元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用hash算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。

根据上面 put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，程序首先根据该 key的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry的 value，但key不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。从HashMap中get元素时，首先计算key的hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。

3.归纳总结：

HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry时，也会根据hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。

4.上面HashMap原理是基于JDK1.7介绍的，在JDK1.8中对HashMap进行了优化：

JDK1.7中一个很明显的地方是：当 Hash 冲突严重时，在数组上形成的链表会变的越来越长，这样在查询时的效率就会越来越低；时间复杂度为 O(N)。

因此 1.8 中重点优化了这个查询效率。区别具体体现在：1.增加了TREEIFY_THRESHOLD 用于判断是否需要将链表转换为红黑树的阈值（默认是8），一旦链表中的数据较多(即>8个)之后，就会转用红黑树来进行存储，优化存储速度，查询效率也直接提高到了 O(logn)；2.HashEntry 修改为 Node，Node 的核心组成其实也是和 1.7 中的 HashEntry 一样，存放的都是 key value hashcode next 等数据。

二、HashMap 与 Hashtable、ConcurrentHashMap 的区别

	HashTable	HashMap	ConcurrentHashMap
底层数据结构	数组+链表	数组+链表	数组+链表
key可为空	否	是	否
value可为空	否	是	否
线程安全	是	否	是
默认初始容量	11	16	16
扩容方式	(oldSize << 1)+1	oldSize << 1	桶的扩容
扩容时间	size超过（容量*负载因子）	size超过（容量*负载因子）	桶超数超过（容量*负载因子）
hash	key.hashCode()	(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)	(key.hashCode() ^ (key.hashCode() >>> 16)) & 0x7fffffff
index计算方式	(hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length	(tab.length - 1) & hash	(tab.length - 1) & hash
默认负载因子	0.75f	0.75f	0.75f

三者主要区别：

1.存储时key、value能否为空问题：

HashTable和ConcurrentHashMap都不允许NULL键和NULL值，而HashMap允许

2.线程安全问题：
HashMap仅限运用于单线程，在多线程中可能存在问题，是线程不安全的；而HashTable和ConcurrentHashMap都是线程安全的。

HashTable实现线程安全的方式是在修改数据时锁住整个HashTable，让当前线程独占，效率低，而ConcurrentHashMap对此做了相关优化，ConcurrentHashMap通过把整个Map分为N个Segment（分段），在修改数据时会局部锁住某段部分数据，但不会把整个表都锁住。ConcurrentHashMap读操作不加锁，由于HashEntry的value变量是 volatile的，也能保证读取到最新的值。因为volatile定义的变量保证了对所有线程可见。

 

参考博文：

http://www.cnblogs.com/yuanblog/p/4441017.html