Java集合07

14.HashMap

14.1HashMap介绍

1. Map接口的常用实现类：HashMap、Hashtable、Properties

2. HashMap是Map接口使用频率最高的实现类

3. HashMap是以key-value对的方式来存储数据（HashMap$Node类型）

4. key不能重复，value可以重复。允许使用null键和null值

5. 如果添加相同的key键，则会覆盖原来的key-value，等同于修改（key不会替换，value会替换）

6. 与HashSet一样，不保证映射的顺序，因为底层是以hash表的顺序来存储的。（JDK8的HashMap底层：数组+链表+红黑树）

7. HashMap没有实现同步，因此线程不安全，方法没有做同步互斥的操作，没有synchronized

14.2HashMap底层扩容机制

1. （k,v）是一个Node，实现了Map.Entry<K,V>，查看HashMap的源码可以看到
2. jdk7.0 的HashMap底层实现[数组+链表]，jdk8.0底层[数组+链表+红黑树]

详见10.2HashSet的底层扩容机制

1. HashMap底层维护了Node类型的数组table，默认为null
2. 当创建对象时，将加载因子（loadfactor）初始化为0.75
3. 当添加key-value时，通过key的哈希值得到在table的索引。然后判断该索引处是否有元素，如果没有元素则直接添加；如果该索引处有元素，继续判断该元素的key是否和准备加入的key相等。若相等，则直接替换value；若不相等，需要判断是树结构还是链表结构，作出相应处理。如果添加是发现容量还不够，则需要扩容。
4. 第一次添加，则需要扩容table容量为16，临界值（threshold）为（0.75*16=）12
5. 以后再扩容，则需要扩容为table的容量为之前的两倍，临界值也为原来的两倍，即24.以此类推
6. 在Java8中，如果一条链表的元素个数超过TREEIFY_THRESHOLD（默认为8），并且table的大小>=MIN_TREEIFY_CAPACITY（默认64），就会进行树化（红黑树）。

例子：

package li.map.hashmap;

import java.util.HashMap;

@SuppressWarnings("all")
public class HashMapSource {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap map = new HashMap();
        map.put("java",10);//ok
        map.put("php",10);//ok
        map.put("java",20);//替换value

        System.out.println(map);//{java=20, php=10}
    }
}

执行过程如下：

1. 执行构造器 newHashMap();

   初始化加载因子 loadfactor = 0.75

   HashMap$Node[ ] = null

2. 执行put（），调用hash（）方法计算key的值

   可以看到，如果传入的参数key为空的话，就返回0；如果不为空，则求出 key 的 hashCode 值，然后将hashCode 值右移16位并且与原来的 hashCode 值进行 ^(按位异或) 操作，并返回这个哈希值

public V put(K key, V value) {//K="java" value= 10
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

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

3.调用putVal方法：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {//
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;//定义了辅助变量
    //这里定义的tablejiushi HashMap的一个数组，类型是Node[]数组
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//if 语句表示，如果当前table是null，或者大小=0，则进行第一次扩容，扩容到16个空间
        n = (tab = resize()).length;//如果为第一次扩容，此时初始的table已经变成容量为16的数组
    
    /*
    1.根据key，得到hash 去计算key应该放到table表的哪个索引位置，并且把这个未知的对象赋给赋值变量p  	     2.再判断p是否为空 
    	2.1如果p为空，表示该位置还没存放元素，就创建一个Node (key="java", value=PRESENT)并把数         据放在该位置--table[i]=newNode(hash, key, value, null);
    */
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    
    
    else {
      //2.2如果不为空，就会进入else语句
        Node<K,V> e; K k;//定义辅助变量
       /*这里的p指向当前索引所在的对象（由上面的p = tab[i = (n - 1) & hash])计算出索引位置），如          果当前索引位置对应链表的第一个元素的哈希值 和 准备添加的key的哈希值 一样，
       并且 满足下面两个条件之一：
        1.准备加入的key 和 p指向的Node节点 的key 是同一个对象：(k = p.key) == key
        2.p指向的Node节点的key 的equals()和准备加入的key比较后相同 并且key不等于null：(key !=               null && key.equals(k))
       就不加入  只是换原来的元素（不插入新结点只是替换值）
        */
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        
        //再判断p是否是一颗红黑树
        //如果是红黑树，就调用putTreeVal（）方法来进行添加
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        
        else { //如果table对应索引位置已经是一个链表了，就使用for循环依次比较
               //（1）依次和该链表的每个元素都比较后 都不相同，就则将数据加入到该链表的最后
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {//先赋值再判断
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //注意：把元素添加到链表之后立即 判断该链表是否已经达到8个节点，如果已经达到则                         //调用 treeifyBin()对当前链表进行树化（转成红黑树）
                    //在转成红黑树时 还要进行一个判断：
                    //如果该table数组的为空或者大小小于64，则对table数组进行扩容
                    //如果上面条件不成立，即数组大小大于等于64且链表数量达到8个，就转成红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                
                 //（2）如果在依次和该链表的每个元素比较的过程中发现如果有相同情况，就直接break
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;//在上面for循环条件已经把p.next赋值给e了，这里e又赋值给p 其实就是将p指针指                         //向p.next，然后再进行新一轮的判断，如此循环，直到有满足上面if语句的条件为止
            }
     }
        
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;//替换，key对应value
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    
    
    ++modCount;//每增加一个Node，就size++
    if (++size > threshold)//当使用的容量 > 临界值时，就扩容
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

PS:关于树化

        for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
            //（1）依次和该链表的每个元素都比较后 都不相同，就则将数据加入到该链表的最后
                if ((e = p.next) == null) {//先赋值再判断
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    
                    //注意：把元素添加到链表之后立即 判断该链表是否已经达到8个节点，如果已经达到则                         //调用 treeifyBin()对当前链表进行树化（转成红黑树）
                    //在转成红黑树时 还要进行一个判断：
                    //如果该table数组的为空或者大小小于64，则对table数组进行扩容
                    //如果上面条件不成立，即数组大小大于等于64且链表数量达到8个，就转成红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                
                 //（2）如果在依次和该链表的每个元素比较的过程中发现如果有相同情况，就直接break
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;//在上面for循环条件已经把p.next赋值给e了，这里e又赋值给p 其实就是将p指针指                         //向p.next，然后再进行新一轮的判断，如此循环，直到有满足上面if语句的条件为止
            }

遍历过程中p从第一个节点遍历到最后一个节点，但由于binCount是从0开始计数，所以在做树化判断时binCount

的值等于 链表长度 - 1（注意此时的链表长度没有算新插入的节点）

判断条件为 binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1 ==> binCount+1(链表长度) >= TREEIFY_THRESHOLD

但此时链表新插入了一个节点

 p.next = newNode(hash, key, value, null);

所以链表树化的那一刻，它的真实长度应该时binCount+1+1 => 链表长度>TREEIFY_THRESHOLD(8)

即：

链表长度大于8时，treeifyBin()方法被调用

（在做树化判断时，链表长度 = binCount+1（从零计数）+1（新插入节点） = bincount +2）

（判断条件： (bincount >= 8-1) => (bincount>=7) => (bincount+2>=9) => (链表长度>=9) 长度是整数 大于等于9也就是大于8）

ps:剪枝--->如果有链表树化之后，树中的节点经过删除之后越来越少，当元素个数减少到一定程度，树会转变为了链表

14.3HashMap扩容树化触发

例子：

package li.map.hashmap;
import java.util.HashMap;

@SuppressWarnings("all")
public class HashMapSource2 {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap hashMap = new HashMap();
        for (int i = 1; i <= 12; i++) {
            hashMap.put(new A(i), "hello");
        }
        
        System.out.println(hashMap);
    }
}

class A {
    private int num;

    public A(int num) {
        this.num = num;
    }

    //A对象所有的hashcode都是100
    @Override
    public int hashCode() {
        return 100;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "\nA{" +
                "num=" + num +
                '}';
    }
}

如下图，打上断点，点击debug。

当HashMap初始化时，底层数组容量为null：

如下图：装入第一个元素前，数组长度扩容到16

如下图：因为重写了A类的hashCode值，所以在循环过程中元素会快速在某个索引下标上形成链表。

在table 数组的某个链表上，当链表的元素个数超过8个时，此时table数组会进行容量扩展16--->32

---

如下图：当链表的个数继续增加时，table数组继续进行两倍扩容：

如下图，此时量表上的元素个数为10，table数组的长度为64。

当链表上的个数继续增加时，满足了链表树化条件（链表长度>8，table长度>64），就会进行链表树化，数据存储类型变成了TreeNode

总结：

HashMap底层是数组+链表+红黑树

1. HashMap第一次添加时，table数组扩容到16，临界值（threshold）是16*加载因子（loadFactor，0.75）=12；如果table数组容量使用到了临界值12，就会扩容到16 * 2=32，新的临界值就是32 * 0 .75=24，依此类推（两倍扩容）

注意：这里的容量计算的不仅仅是table数组上的容量，链表上的容量也算。即只要增加了一个元素，使用的容量就+1

例如：当一个table表的数组某个索引位置上存储了一个值，而这个值后面的链表存储了7个值，加起来就是8，那么在数组长度没有超过64时，再加入一个值，数组就会进行两倍扩容

2. 添加一个元素时，先得到一个hash值--会转成--索引值

3. 找到存储数据表table，看这个索引位置是否已经存放有元素

   3.1 如果没有则直接加入

   3.2 如果有，则调用equals()比较，如果相同就放弃添加；如果不相同则添加到最后

4. 在jdk8中，如果一条链表的元素个数 >= TREEIFY_THRESHOLD （默认为8），并且table数组的大小 >= MIN_TREEIFY_CAPACITY （默认为64）就会进行树化（红黑树），否则仍然采用数组扩容机制