HashMap原始碼實現原理及底層結構
Java為資料結構中的對映定義了一個介面java.util.Map，此介面主要有四個常用的實現類，分別是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap。
HashMap：HashMap是陣列+連結串列實現的，它根據鍵的hashCode值儲存資料，大多數情況下可以直接定位到它的值，因而具有很快的訪問速度，但遍歷順序卻是不確定的。 HashMap最多隻允許一條記錄的鍵為null，允許多條記錄的值為null。HashMap非執行緒安全，即任一時刻可以有多個執行緒同時寫HashMap，可能會導致資料的不一致。如果需要滿足執行緒安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有執行緒安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap，HashMap使用雜湊表來儲存的。雜湊表為解決衝突，可以採用開放地址法和鏈地址法等來解決問題，Java中HashMap採用了鏈地址法。鏈地址法，就是陣列加連結串列的結合。
HashMap實現原理：HashMap由陣列+連結串列組成的，陣列是HashMap的主體，在每個陣列元素上都一個連結串列結構，當資料被Hash後，得到陣列下標，把資料放在對應下標元素的連結串列上。連結串列則是主要為了解決雜湊衝突而存在的，如果定位到的陣列位置不含連結串列(當前entry的next指向null),那麼對於查詢，新增等操作很快，僅需一次定址即可；如果定位到的陣列包含連結串列，對於新增操作，其時間複雜度依然為O(1)，因為最新的Entry會插入連結串列頭部，急需要簡單改變引用鏈即可，而對於查詢操作來講，此時就需要遍歷連結串列，然後通過key物件的equals方法逐一比對查詢。所以，效能考慮，HashMap中的連結串列出現越少，效能才會越好。
Hashtable：Hashtable是遺留類，很多對映的常用功能與HashMap類似，不同的是它承自Dictionary類，並且是執行緒安全的，任一時間只有一個執行緒能寫Hashtable，併發性不如ConcurrentHashMap，因為ConcurrentHashMap引入了分段鎖。Hashtable不建議在新程式碼中使用，不需要執行緒安全的場合可以用HashMap替換，需要執行緒安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換。
LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一個子類，它記錄了插入順序，如果需要輸出的順序和輸入時的相同，那麼就選用LinkedHashMap，是Map介面的雜湊表和連結列表實現，具有可預知的迭代順序。此實現提供所有可選的對映操作，並允許使用null值和null鍵。此類不保證對映的順序，特別是它不保證該順序恆久不變，實現與HashMap的不同之處在於，後者維護著一個運行於所有條目的雙重連結列表。此連結列表定義了迭代順序，該迭代順序可以是插入順序或者是訪問順序。
注意，此實現不是同步的。如果多個執行緒同時訪問連結的雜湊對映，而其中至少一個執行緒從結構上修改了該對映，則它必須保持外部同步。
根據連結串列中元素的順序可以分為：按插入順序的連結串列，和按訪問順序(呼叫get方法)的連結串列。
預設是按插入順序排序，如果指定按訪問順序排序，那麼呼叫get方法後，會將這次訪問的元素移至連結串列尾部，不斷訪問可以形成按訪問順序排序的連結串列。可以重寫removeEldestEntry方法返回true值指定插入元素時移除最老的元素。先得到的記錄肯定是先插入的，也可以在構造時帶引數，按照訪問次序排序。
LinkedHashMap的實現：
對於LinkedHashMap而言，它繼承與HashMap、底層使用雜湊表與雙向連結串列來儲存所有元素。其基本操作與父類HashMap相似，它通過重寫父類相關的方法，來實現自己的連結列表特性。
TreeMap：TreeMap實現SortedMap介面，能夠把它儲存的記錄根據鍵排序，預設是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，當用Iterator遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。如果使用排序的對映，建議使用TreeMap。在使用TreeMap時，key必須實現Comparable介面或者在構造TreeMap傳入自定義的Comparator，否則會在執行時丟擲java.lang.ClassCastException型別的異常。
hashMap是執行緒不安全的，HashMap是陣列+連結串列，採用雜湊表來儲存的。
HashMap和Hashtable兩者最主要的區別在於Hashtable是執行緒安全，而HashMap則非執行緒安全，HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key，HashMap是對Map介面的實現，HashTable實現了Map介面和Dictionary抽象類。
HashMap和Hashtable的區別
1）兩者最主要的區別在於Hashtable是執行緒安全，而HashMap則非執行緒安全
Hashtable的實現方法裡面都添加了synchronized關鍵字來確保執行緒同步，因此相對而言HashMap效能會高一些，我們平時使用時若無特殊需求建議使用HashMap，在多執行緒環境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來獲取一個執行緒安全的集合（Collections.synchronizedMap()實現原理是Collections定義了一個SynchronizedMap的內部類，這個類實現了Map介面，在呼叫方法時使用synchronized來保證執行緒同步,當然了實際上操作的還是我們傳入的HashMap例項，簡單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們在操作HashMap時自動添加了synchronized來實現執行緒同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理）
2）HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key
雖說HashMap支援null值作為key，不過建議還是儘量避免這樣使用，因為一旦不小心使用了，若因此引發一些問題，排查起來很是費事
HashMap以null作為key時，總是儲存在table陣列的第一個節點上
3）HashMap是對Map介面的實現，Hashtable實現了Map介面和Dictionary抽象類
4）HashMap的初始容量為16，Hashtable初始容量為11，兩者的填充因子預設都是0.75
HashMap擴容時是當前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable擴容時是容量翻倍+1即:capacity*2+1
5）兩者計算hash的方法不同
Hashtable計算hash是直接使用key的hashcode對table陣列的長度直接進行取模
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;HashMap計算hash對key的hashcode進行了二次hash，以獲得更好的雜湊值，然後對table陣列長度取摸
static int hash(int h) {
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}HashMap和Hashtable的底層實現都是陣列+連結串列結構實現
HashSet和HashMap、Hashtable的區別
除開HashMap和Hashtable外，還有一個hash集合HashSet，有所區別的是HashSet不是key value結構，僅僅是儲存不重複的元素，相當於簡化版的HashMap，只是包含HashMap中的key而已。
通過檢視原始碼也證實了這一點，HashSet內部就是使用HashMap實現，只不過HashSet裡面的HashMap所有的value都是同一個Object而已，因此HashSet也是非執行緒安全的，至於HashSet和Hashtable的區別，HashSet就是個簡化的HashMap的，所以你懂的。
下面是HashSet幾個主要方法的實現
private transient HashMap<E,Object> map;
private static final Object PRESENT = new Object();
public HashSet() {
map = new HashMap<E,Object>();
}
public boolean contains(Object o) {
return map.containsKey(o);
}
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
public boolean remove(Object o) {
return map.remove(o)==PRESENT;
}
public void clear() {
map.clear();
}HashMap和Hashtable的實現原理
HashMap和Hashtable的底層實現都是陣列+連結串列結構實現的，這點上完全一致。
新增、刪除、獲取元素時都是先計算hash，根據hash和table.length計算index也就是table陣列的下標，然後進行相應操作，下面以HashMap為例說明下它的簡單實現
/**
* HashMap的預設初始容量 必須為2的n次冪
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* HashMap的最大容量，可以認為是int的最大值
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 預設的載入因子
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* HashMap用來儲存資料的陣列
*/
transient Entry[] table;
HashMap的建立
HashMap預設初始化時會建立一個預設容量為16的Entry陣列，預設載入因子為0.75，同時設定臨界值為16*0.75。
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}put方法
HashMap會對null值key進行特殊處理，總是放到table[0]位置
put過程是先計算hash然後通過hash與table.length取摸計算index值，然後將key放到table[index]位置，當table[index]已存在其它元素時，會在table[index]位置形成一個連結串列，將新新增的元素放在table[index]，原來的元素通過Entry的next進行連結，這樣以連結串列形式解決hash衝突問題，當元素數量達到臨界值(capactiy*factor)時，則進行擴容，是table陣列長度變為table.length*2
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value); //處理null值
int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//計算在陣列中的儲存位置
//遍歷table[i]位置的連結串列，查詢相同的key，若找到則使用新的value替換掉原來的oldValue並返回oldValue
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
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;
}
}
//若沒有在table[i]位置找到相同的key，則新增key到table[i]位置，新的元素總是在table[i]位置的第一個元素，原來的元素後移
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//新增key到table[bucketIndex]位置，新的元素總是在table[bucketIndex]的第一個元素，原來的元素後移
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
//判斷元素個數是否達到了臨界值，若已達到臨界值則擴容，table長度翻倍
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}get方法
同樣當key為null時會進行特殊處理，在table[0]的連結串列上查詢key為null的元素
get的過程是先計算hash然後通過hash與table.length取摸計算index值，然後遍歷table[index]上的連結串列，直到找到key，然後返回
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();//處理null值
int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
//在table[index]遍歷查詢key，若找到則返回value，找不到返回null
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}remove方法
remove方法和put get類似，計算hash，計算index，然後遍歷查詢，將找到的元素從table[index]連結串列移除
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}resize方法
resize方法在hashmap中並沒有公開，這個方法實現了非常重要的hashmap擴容，具體過程為：先建立一個容量為table.length*2的新table，修改臨界值，然後把table裡面元素計算hash值並使用hash與table.length*2重新計算index放入到新的table裡面。
這裡需要注意下是用每個元素的hash全部重新計算index，而不是簡單的把原table對應index位置元素簡單的移動到新table對應位置
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
//重新對每個元素計算index
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}clear()方法
clear方法非常簡單，就是遍歷table然後把每個位置置為null，同時修改元素個數為0，需要注意的是clear方法只會清楚裡面的元素，並不會重置capactiy。
public void clear() {
modCount++;
Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length; i++)
tab[i] = null;
size = 0;
}containsKey和containsValue
containsKey方法是先計算hash然後使用hash和table.length取摸得到index值，遍歷table[index]元素查詢是否包含key相同的值
public boolean containsKey(Object key) {
return getEntry(key) != null;
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}containsValue方法就比較粗暴了，就是直接遍歷所有元素直到找到value，由此可見HashMap的containsValue方法本質上和普通陣列和list的contains方法沒什麼區別，你別指望它會像containsKey那麼高效
public boolean containsValue(Object value) {
if (value == null)
return containsNullValue();
Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
if (value.equals(e.value))
return true;
return false;
}hash和indexFor
indexFor中的h & (length-1)就相當於h%length，用於計算index也就是在table陣列中的下標
hash方法是對hashcode進行二次雜湊，以獲得更好的雜湊值
為了更好理解這裡我們可以把這兩個方法簡化為 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法為例可以這樣替換
int hash = hash(key.hashCode());//計算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//計算在陣列中的儲存位置
//上面這兩行可以這樣簡化
int i = key.key.hashCode()%table.length;
static int hash(int h) {
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}