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文章目錄：
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序言
在后端的日常開發工作中，集合是使用頻率相當高的一個工具，而其中的HashMap，則更是我們用以處理業務邏輯的好幫手，同時HashMap的底層實現和原理，也成了面試題中的常客。
以前曾有詳細了解過HashMap的實現原理，看過源碼（JDK7版本）。但隨着jdk版本的飛速迭代（現在都到JDK13了，但新特性還從沒用過。。），主流的jdk使用版本也終於從JDK7挪到了JDK8。
由於JDK的向前兼容，在JDK8的使用過程中也沒發現HashMap有什么特別之處，特性並無變化（依然線程不安全）。但最近的一次好奇心驅使，從IDE中點進去看了下HashMap的put()方法，有點兒懵逼，怎么跟我記憶中的不太一樣？從JDK7到JDK8，HashMap也做了升級么？升級了什么哪些內容？
借着這股好奇心，把JDK7和JDK8的源碼都翻了翻，對兩者的實現原理做一下對比，JDK版本都在半年左右一次的速度推陳出新，我們的認知當然也要跟上，不斷學習，站在浪潮之巔，不然就要被這滾滾的信息泥石流給裹挾淹沒了。
先展示下Map家族的關系層級，有助於我們更好的理解后面的內容。
HashMap的基本知識點介紹就不多啰嗦了，直奔主題，看JDK7和JDK8的功能實現吧。
一、JDK7中的HashMap底層實現
1.1 基礎知識
不管是1.7，還是1.8，HashMap的實現框架都是哈希表 + 鏈表的組合方式。結構圖如下：
平常使用最多的就是put()、get()操作，想要了解底層實現，最直接的就是從put()/get()方法看起。不過在具體看源碼前，我們先關注幾個域變量，打打基礎，如下：
上圖中，已對各個變量做了簡單的解釋。
再多說一下，最后一個變量modCount，記錄了map新增/刪除k-v對，或者內部結構做了調整的次數，其主要作用，是對Map的iterator()操作做一致性校驗，如果在iterator操作的過程中，map的數值有修改，直接拋出ConcurrentModificationException異常。
還需要說明的是，上面的域變量中存在一個等式：
threshold = table.length * loadFactor;
當執行put()操作放入一個新的值時，如果map中已經存在對應的key，則作替換即可，若不存在，則會首先判斷size>=threshold是否成立，這是決定哈希table是否擴容的重要因素。
就使用層面來說，用的最多的莫過於put()方法、get()方法。想要詳細了解運作原理，那就先從這兩個方法看起吧，這兩個方法弄明白了，也就基本能理清HashMap的實現原理了。
1.2 put()方法
當了解了以上的變量和用途后，接下來看下put()方法的具體實現：
如上面的截圖代碼所示，整個put方法的處理過程，可拆分為四部分：
- part1：特殊key值處理，key為null；
- part2：計算table中目標bucket的下標；
- part3：指定目標bucket，遍歷Entry結點鏈表，若找到key相同的Entry結點，則做替換；
- part4：若未找到目標Entry結點，則新增一個Entry結點。
不知大家有沒有發現，上面截圖中的put()方法是有返回值的，場景區分如下：
- 場景1：若執行put操作前，key已經存在，那么在執行put操作時，會使用本次的新value值來覆蓋前一次的舊value值，返回的就是舊value值；
- 場景2：若key不存在，則返回null值。
下面對put方法的各部分做詳細的拆解分析。
1.2.1 特殊key值處理
特殊key值，指的就是key為null。
先說結論：
a) HashMap中，是允許key、value都為null的，且key為null只存一份，多次存儲會將舊value值覆蓋；
b) key為null的存儲位置，都統一放在下標為0的bucket，即：table[0]位置的鏈表；
c) 如果是第一次對key=null做put操作，將會在table[0]的位置新增一個Entry結點，使用頭插法做鏈表插入。
上代碼：
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
/**
* Adds a new entry with the specified key, value and hash code to
* the specified bucket. It is the responsibility of this
* method to resize the table if appropriate.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of put method.
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
/**
* Like addEntry except that this version is used when creating entries
* as part of Map construction or "pseudo-construction" (cloning,
* deserialization). This version needn't worry about resizing the table.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of HashMap(Map),
* clone, and readObject.
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
putForNullKey()方法中的代碼較為簡單：首先選擇table[0]位置的鏈表，然后對鏈表做遍歷操作，如果有結點的key為null，則將新value值替換掉舊value值，返回舊value值，如果未找到，則新增一個key為null的Entry結點。
重點我們看下第二個方法addEntry()。
這是一個通用方法：
給定hash、key、value、bucket下標，新增一個Entry結點，另外還擔負了擴容職責。如果哈希表中存放的k-v對數量超過了當前閾值(threshold = table.length * loadFactor)，且當前的bucket下標有鏈表存在，那么就做擴容處理（resize）。擴容后，重新計算hash，最終得到新的bucket下標，然后使用頭插法新增結點。
1.2.2 擴容
上一節有提及，當k-v對的容量超出一定限度后，需要對哈希table做擴容操作。那么問題來了，怎么擴容的？
下面看下源代碼：
有兩個核心點：
a) 擴容后大小是擴容前的2倍；
oldCapacity=table.length;
newCapacity = 2 * oldCapacity;
b) 數據搬遷，從舊table遷到擴容后的新table。
為避免碰撞過多，先決策是否需要對每個Entry鏈表結點重新hash，然后根據hash值計算得到bucket下標，然后使用頭插法做結點遷移。
1.2.3 如何計算bucket下標？
① hash值的計算
首先得有key的hash值，就是一個整數，int類型，其計算方式使用了一種可盡量減少碰撞的算式（高位運算），具體原理不再展開，只要知道一點就行：使用key的hashCode作為算式的輸入，得到了hash值。
從以上知識點，我們可以得到一個推論：
對於兩個對象，若其hashCode相同，那么兩個對象的hash值就一定相同。
這里還牽涉到另外一個知識點。對於HashMap中key的類型，必須滿足以下的條件：
若兩個對象邏輯相等，那么他們的hashCode一定相等，反之卻不一定成立。
邏輯相等的含義就比較寬泛了，我們可以將邏輯的相等定義為兩個對象的內存地址相同，也可以定義為對象的某個域值相等，自定義兩個對象的邏輯相等，可通過重寫Object類的equals()方法來實現。
比如String類，請看以下代碼：
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
System.out.println(str1 == str2); // false，兩個對象的內存地址並不同
System.out.println(str1.equals(str2)); // true 兩個對象的域值相同，都存儲了 abc 這三個字符
對於上面代碼中的str1、str2兩個對象，雖然它們的內存地址不同，但根據String類中對Object類的equals()方法的重寫(@override)，兩個對象的域變量（即char數組）都存儲了'a'、'b'、'c'三個字符，因此邏輯上是相等的。既然str1、str2兩個對象邏輯上相等，那么一定有如下結果：
System.out.println(str1.hashCode() == str2.hashCode());
---輸出---
true
從而我們就可以知道，在同一個HashMap對象中，會有如下結果：
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
Map<String, Integer> testMap = new HashMap<>();
testMap.put(str1, 12);
testMap.put(str2, 13);
String str3 = new StringBuilder("ab").append("c").toString();
System.out.println(testMap.get(str3));
---輸出---
13
另外，我們也可以反過來想一下。
假設HashMap的key不滿足上面提到的條件，即：兩個對象相等的情況下，他們的hashCode可能不一致。那么，這會帶來什么后果呢？以上面示例代碼中的str1、str2為例，若它們的hashCode不相等，那么對應的hash也就可能不相等（注意：這里是可能不相等，也有可能相等），testMap做put操作時，str1、str2為就會被分配到不同的bucket上，導致的最直接后果就是會存儲兩份。間接的后果那就更多了，比如：使用str3對象執行testMap.get(str3)操作時，可能獲取不到值，更進一步的后果就是這部分無法觸達的對象無法回收，導致內存泄漏。
因此，再重新一遍，HashMap的key所對應的類型，一定要滿足如下條件：
若兩個對象邏輯相等，那么他們的hashCode一定相等，反之卻不一定成立。
② 取模的邏輯
前面我們分析了hash值的計算，接下來就可以引出bucket下標的計算：
/**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
計算相當簡潔：將table的容量與hash值做“與”運算，得到哈希table的bucket下標。
③ 拓展
這種通俗的不能再通俗的計算大家都能看懂，但為何要這樣做呢？背后的思考是什么？在看到下面的解釋前，大家可以先思考下~
在文檔開頭，給出了HashMap類中的各個域變量。其中，哈希table的初始大小默認設置為16，為2的次冪數。后面在擴容時，都是以2的倍數來擴容。為什么非要將哈希table的大小控制為2的次冪數？
原因1：降低發生碰撞的概率，使散列更均勻。根據key的hash值計算bucket的下標位置時，使用“與”運算公式：h & (length-1)，當哈希表長度為2的次冪時，等同於使用表長度對hash值取模（不信大家可以自己演算一下），散列更均勻；
原因2：表的長度為2的次冪，那么(length-1)的二進制最后一位一定是1，在對hash值做“與”運算時，最后一位就可能為1，也可能為0，換句話說，取模的結果既有偶數，又有奇數。設想若(length-1)為偶數，那么“與”運算后的值只能是0，奇數下標的bucket就永遠散列不到，會浪費一半的空間。
1.2.4 在目標bucket中遍歷Entry結點
先把這部分代碼拎出來：
...
int i = indexFor(hash, table.length);
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;
}
}
...
通過hash值計算出下標，找到對應的目標bucket，然后對鏈表做遍歷操作，逐個比較，如下：
注意這里的查找條件：e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))
結點的key與目標key的相等，要么內存地址相等，要么邏輯上相等，兩者有一個滿足即可。
1.3 get()方法
相比於put()方法，get()方法的實現就相對簡單多了。主要分為兩步，先是通過key的hash值計算目標bucket的下標，然后遍歷對應bucket上的鏈表，逐個對比，得到結果。
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
/**
* Returns the entry associated with the specified key in the
* HashMap. Returns null if the HashMap contains no mapping
* for the key.
*/
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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;
}
1.4 Map中的迭代器Iterator
1.4.1 Map遍歷的幾種方式
先問個問題，你能想到幾種遍歷Map的方式？
方式1：Iterator迭代器
Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = testMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Entry<String, Integer> next = iterator.next();
System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
}
逐個獲取哈希table中的每個bucket中的每個Entry結點，后面會詳細介紹。
方式2：最常見的使用方式，可同時得到key、value值
// 方式一
for (Map.Entry<String, Integer> entry : testMap.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}
這種方式是一個語法糖，我們可通過反編譯命令javap，或通過IDE來查下編譯之后的語句：
Iterator var2 = testMap.entrySet().iterator();
while(var2.hasNext()) {
Entry<String, Integer> entry = (Entry)var2.next();
System.out.println((String)entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
}
其底層還是使用的是Iterator功能。
方式3：使用foreach方式（JDK1.8才有）
testMap.forEach((key, value) -> {
System.out.println(key + ":" + value);
});
這是一種Lambda表達式。foreach也是一個語法糖，其內部是使用了方式二的處理方式，Map的foreach方法實現如下：
方式4：通過key的set集合遍歷
Iterator<String> keyIterator = testMap.keySet().iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
String key = keyIterator.next();
System.out.println(key + ":" + testMap.get(key));
}
這種也是Iterator的方式，不過是通過Set類的iterator方式。
相比方式1，這種方式在獲取value時，還需要再次通過testMap.get()的方式，性能相比方式1要降低很多。但兩者有各自的使用場景，若在Map的遍歷中僅使用key，則方式4較為適合，若需用到value，推薦使用方式1。
從前面的方式1和方式2可知，方式4還有如下的變體（語法糖的方式）：
for (String key : testMap.keySet()) {
System.out.println(key + ":" + testMap.get(key));
}
綜合以上，在遍歷Map時，從性能方面考慮，若需同時使用key和value，推薦使用方式1或方式2，若單純只是使用key，推薦使用方式4。任何情況下都不推薦使用方式3，因為會新增二次查詢（通過key再一次在Map中查找value）。
另外，使用方式1時，還可以做remove操作，這個下面會講到。
1.4.2 Iterator的實現原理
先看一張類/接口的繼承關系圖：
Iterator為一個頂層接口，只提供了三個基礎方法聲明：
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
default void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("remove");
}
}
這也是我們使用Iterator時繞不開的三個方法。
在HashMap中，首先是新增了一個內部抽象類HashIterator，如下：
我們以Entry結點的遍歷為例（map的key、value的Iterator遍歷方式都類似）：
Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = testMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Entry<String, Integer> next = iterator.next();
System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
}
首先，第一行代碼，找到Iterator接口的具體實現類EntryIterator：
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
非常簡潔有木有？？？就只有一個next()方法，其正是對Iterator接口的next()方法的實現。方法內部也只有一行，指向了父類的nextEntry()方法，即上面截圖中的HashIterator類中的nextEntry()方法。
HashMap中的Iterator實現原理也不過如此，就是這么朴實無華，是不是都想動手自己擼一個HashMap的實現了？嗯，你可以的！！！
1.5 fail-fast策略
和fail-fast經常一起出現的還有一個異常類ConcurrentModificationException，接下來我們聊下這兩者是什么關系，以及為什么搞這么個策略出來。
什么是fail-fast？我們可以稱它為"快速失效策略"，下面是Wikipedia中的解釋：
In systems design, a fail-fast system is one which immediately reports at its interface any condition that is likely to indicate a failure. Fail-fast systems are usually designed to stop normal operation rather than attempt to continue a possibly flawed process.
Such designs often check the system's state at several points in an operation, so any failures can be detected early. The responsibility of a fail-fast module is detecting errors, then letting the next-highest level of the system handle them.
大白話翻譯過來，就是在系統設計中，當遇到可能會誘導失敗的條件時立即上報錯誤，快速失效系統往往被設計在立即終止正常操作過程，而不是嘗試去繼續一個可能會存在錯誤的過程。
再簡潔點說，就是盡可能早的發現問題，立即終止當前執行過程，由更高層級的系統來做處理。
在HashMap中，我們前面提到的modCount域變量，就是用於實現hashMap中的fail-fast。出現這種情況，往往是在非同步的多線程並發操作。
在對Map的做迭代(Iterator)操作時，會將modCount域變量賦值給expectedModCount局部變量。在迭代過程中，用於做內容修改次數的一致性校驗。若此時有其他線程或本線程的其他操作對此Map做了內容修改時，那么就會導致modCount和expectedModCount不一致，立即拋出異常ConcurrentModificationException。
舉個栗子：
public static void main(String[] args) {
Map<String, Integer> testMap = new HashMap<>();
testMap.put("s1", 11);
testMap.put("s2", 22);
testMap.put("s3", 33);
for (Map.Entry<String, Integer> entry : testMap.entrySet()) {
String key = entry.getKey();
if ("s1".equals(key)) {
testMap.remove(key);
}
}
}
---- output ---
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.HashMap$HashIterator.nextNode(HashMap.java:1437)
at java.util.HashMap$EntryIterator.next(HashMap.java:1471)
at java.util.HashMap$EntryIterator.next(HashMap.java:1469)
...
正確的刪除Map元素的姿勢：只有一個，Iteator的remove()方法。
// 方式三
Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = testMap.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Entry<String, Integer> next = iterator.next();
System.out.println(next.getKey() + ":" + next.getValue());
if (next.getKey().equals("s2")) {
iterator.remove();
}
}
但也要注意一點，能安全刪除，並不代表就是多線程安全的，在多線程並發執行時，若都執行上面的操作，因未設置為同步方法，也可能導致modCount與expectedModCount不一致，從而拋異常ConcurrentModificationException。
線程不安全的體現和規避方式，后續章節會詳細提及。
二、JDK8中的HashMap底層實現
前面我們已經詳細剖析了HashMap在JDK7中的實現，不知大家有沒有發現其中可以優化的地方？比如哈希表中因為hash碰撞而產生的鏈表結構，如果數據量很大，那么產生碰撞的幾率很增加，這帶來的后果就是鏈表長度也一直在增加，對於查詢來說，性能會越來越低。如何提升查詢性能，成了JDK8中的HashMap要解決的問題。
因此，相比於JDK7，HashMap在JDK8中做鏈表結構做了優化（但仍然線程不安全），在一定條件下將鏈表轉為紅黑樹，提升查詢效率。
JDK8中的HashMap其底層存儲結構如下：
相比於JDK7，JDK8中的HashMap會將較長的鏈表轉為紅黑樹，這也是與JDK7的核心差異。下面先看下put()方法的實現。
2.1 put()操作
在進一步分析put()操作前，先說明一下：除了底層存儲結構有調整，鏈表結點的定義也由Entry類轉為了Node類，但內核沒有變化，不影響理解。
先上源代碼：
是不是很長很復雜？其實不難，只要記住上面的底層存儲結構圖，代碼就很容易看懂。還是一樣的存儲套路，先根據key確定在哈希table中的下標，找到對應的bucket，遍歷鏈表（或紅黑樹），做插入操作。在JDK7中，新增結點是使用頭插法，但在JDK8中，在鏈表使用尾插法，將待新增結點追加到鏈表末尾。
為方便理解，將上面的代碼轉為了下面的流程圖：
步驟①：若哈希table為null，或長度為0，則做一次擴容操作；
步驟②：根據index找到目標bucket后，若當前bucket上沒有結點，那么直接新增一個結點，賦值給該bucket；
步驟③：若當前bucket上有鏈表，且頭結點就匹配，那么直接做替換即可；
步驟④：若當前bucket上的是樹結構，則轉為紅黑樹的插入操作；
步驟⑤：若步驟①、②、③、④都不成立，則對鏈表做遍歷操作。
a) 若鏈表中有結點匹配，則做value替換；
b）若沒有結點匹配，則在鏈表末尾追加。同時，執行以下操作：
i) 若鏈表長度大於TREEIFY_THRESHOLD，則執行紅黑樹轉換操作；
ii) 若條件i) 不成立，則執行擴容resize()操作。
以上5步都執行完后，再看當前Map中存儲的k-v對的數量是否超出了threshold，若超出，還需再次擴容。
紅黑樹的轉換操作如下：
/**
* Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
* table is too small, in which case resizes instead.
*/
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
// 若表為空，或表長度小於MIN_TREEIFY_CAPACITY，也不做轉換，直接做擴容處理。
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
2.2 擴容操作
什么場景下會觸發擴容？
場景1：哈希table為null或長度為0；
場景2：Map中存儲的k-v對數量超過了閾值threshold；
場景3：鏈表中的長度超過了TREEIFY_THRESHOLD，但表長度卻小於MIN_TREEIFY_CAPACITY。
一般的擴容分為2步，第1步是對哈希表長度的擴展（2倍），第2步是將舊table中的數據搬到新table上。
那么，在JDK8中，HashMap是如何擴容的呢？
上源代碼片段：
...
// 前面已經做了第1步的長度拓展，我們主要分析第2步的操作：如何遷移數據
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 循環遍歷哈希table的每個不為null的bucket
// 注意，這里是"++j"，略過了oldTab[0]的處理
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 若只有一個結點，則原地存儲
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
// "lo"前綴的代表要在原bucket上存儲，"hi"前綴的代表要在新的bucket上存儲
// loHead代表是鏈表的頭結點，loTail代表鏈表的尾結點
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 以oldCap=8為例，
// 0001 1000 e.hash=24
// & 0000 1000 oldCap=8
// = 0000 1000 --> 不為0，需要遷移
// 這種規律可發現，[oldCap, (2*oldCap-1)]之間的數據，
// 以及在此基礎上加n*2*oldCap的數據，都需要做遷移，剩余的則不用遷移
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
// 這種是有序插入，即依次將原鏈表的結點追加到當前鏈表的末尾
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
// 需要搬遷的結點，新下標為從當前下標往前挪oldCap個距離。
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
2.3 get()操作
了解了上面的put()操作，get()操作就比較簡單了。
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
先根據key計算hash值，進一步計算得到哈希table的目標index，若此bucket上為紅黑樹，則再紅黑樹上查找，若不是紅黑樹，遍歷鏈表。
三、HashMap、HashTable是什么關系？
再把文章開頭的這張圖放出來，溫習一下：
3.1 共同點與異同點
共同點：
- 底層都是使用哈希表 + 鏈表的實現方式。
區別：
- 從層級結構上看，HashMap、HashTable有一個共用的
Map接口。另外，HashTable還單獨繼承了一個抽象類Dictionary； - HashTable誕生自JDK1.0，HashMap從JDK1.2之后才有；
- HashTable線程安全，HashMap線程不安全；
- 初始值和擴容方式不同。HashTable的初始值為11，擴容為原大小的
2*d+1。容量大小都采用奇數且為素數，且采用取模法，這種方式散列更均勻。但有個缺點就是對素數取模的性能較低（涉及到除法運算），而HashTable的長度都是2的次冪，設計就較為巧妙，前面章節也提到過，這種方式的取模都是直接做位運算，性能較好。 - HashMap的key、value都可為null，且value可多次為null，key多次為null時會覆蓋。當HashTable的key、value都不可為null，否則直接NPE(NullPointException)。
示例：
public static void main(String[] args) {
Map<String, Integer> testTable = new Hashtable<>();
testTable.put(null, 23); // 拋NPE
testTable.put("s1", null); // 拋NPE
}
看下put()方法的源碼：
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
源碼中不允許value為null，若為null則直接拋NPE。
對於key為null時，源碼第9行：int hash = key.hashCode(); 未做判空操作，也會外拋NPE。
另外，我們現在看到的抽象類Dictionary，是一個已經廢棄的類，源碼注釋中有如下說明：
<strong>NOTE: This class is obsolete. New implementations should
implement the Map interface, rather than extending this class.</strong>
3.2 HashMap的線程安全
能保證線程線程安全的方式有多個，比如添加synchronized關鍵字，或者使用lock機制。兩者的差異不在此展開，后續會寫有關線程安全的文章，到時再詳細說明。而HashTable使用了前者，即synchronized關鍵字。
put操作、get操作、remove操作、equals操作，都使用了synchronized關鍵字修飾。
這么做是保證了HashTable對象的線程安全特性，但同樣也帶來了問題，突出問題就是效率低下。為何會說它效率低下呢？
因為按synchronized的特性，對於多線程共享的臨界資源，同一時刻只能有一個線程在占用，其他線程必須原地等待，為方便理解，大家不妨想下計時用的沙漏，中間最細的瓶頸處阻擋了上方細沙的下落，同樣的道理，當有大量線程要執行get()操作時，也存在此類問題，大量線程必須排隊一個個處理。
這時可能會有人說，既然get()方法只是獲取數據，並沒有修改Map的結構和數據，不加不就行了嗎？不好意思，不加也不行，別的方法都加，就你不加，會有一種場景，那就是A線程在做put或remove操作時，B線程、C線程此時都可以同時執行get操作，可能哈希table已經被A線程改變了，也會帶來問題，因此不加也不行。
現在好了，HashMap線程不安全，HashTable雖然線程安全，但性能差，那怎么破？使用ConcurrentHashMap類吧，既線程安全，還操作高效，誰用誰說好。莫急，下面章節會詳細解釋ConcurrentHashMap類。
四、HashMap線程不安全在哪？
本章節主要探討下HashMap的線程不安全會帶來哪些方面的問題。
4.1 數據覆蓋問題
兩個線程執行put()操作時，可能導致數據覆蓋。JDK7版本和JDK8版本的都存在此問題，這里以JDK7為例。
假設A、B兩個線程同時執行put()操作，且兩個key都指向同一個buekct，那么此時兩個結點，都會做頭插法。
先看這里的代碼實現：
public V put(K key, V value) {
...
addEntry(hash, key, value, i);
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
...
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
看下最后的createEntry()方法，首先獲取到了bucket上的頭結點，然后再將新結點作為bucket的頭部，並指向舊的頭結點，完成一次頭插法的操作。
當線程A和線程B都獲取到了bucket的頭結點后，若此時線程A的時間片用完，線程B將其新數據完成了頭插法操作，此時輪到線程A操作，但這時線程A所據有的舊頭結點已經過時了（並未包含線程B剛插入的新結點），線程A再做頭插法操作，就會抹掉B剛剛新增的結點，導致數據丟失。
其實不光是put()操作，刪除操作、修改操作，同樣都會有覆蓋問題。
4.2 擴容時導致死循環
這是最常遇到的情況，也是面試經常被問及的考題。但說實話，這個多線程環境下導致的死循環問題，並不是那么容易解釋清楚，因為這里已經深入到了擴容的細節。這里盡可能簡單的描述死循環的產生過程。
另外，只有JDK7及以前的版本會存在死循環現象，在JDK8中，resize()方式已經做了調整，使用兩隊鏈表，且都是使用的尾插法，及時多線程下，也頂多是從頭結點再做一次尾插法，不會造成死循環。而JDK7能造成死循環，就是因為resize()時使用了頭插法，將原本的順序做了反轉，才留下了死循環的機會。
在進一步說明死循環的過程前，我們先看下JDK7中的擴容代碼片段：
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
其實就是簡單的鏈表反轉，再進一步簡化的話，分為當前結點e，以及下一個結點e.next。我們以鏈表a->b->c->null為例，兩個線程A和B，分別做擴容操作。
原表：
線程A和B各自新增了一個新的哈希table，在線程A已做完擴容操作后，線程B才開始擴容。此時對於線程B來說，當前結點e指向a結點，下一個結點e.next仍然指向b結點（此時在線程A的鏈表中，已經是c->b->a的順序）。按照頭插法，哈希表的bucket指向a結點，此時a結點成為線程B中鏈表的頭結點，如下圖所示：
a結點成為線程B中鏈表的頭結點后，下一個結點e.next為b結點。既然下一個結點e.next不為null，那么當前結點e就變成了b結點，下一個結點e.next變為a結點。繼續執行頭插法，將b變為鏈表的頭結點，同時next指針指向舊的頭節點a，如下圖：
此時，下一個結點e.next為a節點，不為null，繼續頭插法。指針后移，那么當前結點e就成為了a結點，下一個結點為null。將a結點作為線程B鏈表中的頭結點，並將next指針指向原來的舊頭結點b，如下圖所示：
此時，已形成環鏈表。同時下一個結點e.next為null，流程結束。
4.3 小結
多線程環境下使用HashMap，會引起各類問題，上面僅為不安全問題的兩個典型示例，具體問題無法一一列舉，但大體會分為以下三類：
- 死循環
- 數據重復
- 數據丟失（覆蓋）
在JDK1.5之前，多線程環境往往使用HashTable，但在JDK1.5及以后的版本中，在並發包中引入了專門用於多線程環境的ConcurrentHashMap類，采用分段鎖實現了線程安全，相比HashTable有更高的性能，推薦使用。
五、如何規避HashMap的線程不安全？
前面提到了HashMap在多線程環境下的各類不安全問題，那么有哪些方式可以轉成線程安全的呢？
5.1 將Map轉為包裝類
如何轉？使用Collections.SynchronizedMap()方法，示例代碼：
Map<String, Integer> testMap = new HashMap<>();
...
// 轉為線程安全的map
Map<String, Integer> map = Collections.synchronizedMap(testMap);
其內部實現也很簡單，等同於HashTable，只是對當前傳入的map對象，新增對象鎖（synchronized）：
// 源碼來自Collections類
private static class SynchronizedMap<K,V> implements Map<K,V>, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;
private final Map<K,V> m; // Backing Map
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
this.m = Objects.requireNonNull(m);
mutex = this;
}
SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
this.m = m;
this.mutex = mutex;
}
public int size() {
synchronized (mutex) {return m.size();}
}
public boolean isEmpty() {
synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
}
public boolean containsKey(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
}
public boolean containsValue(Object value) {
synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
public V remove(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
}
public void clear() {
synchronized (mutex) {m.clear();}
}
}
5.2 使用ConcurrentHashMap
既然HashMap類是線程不安全的，那就不妨找個線程安全的替代品——ConcurrentHashMap類。
使用示例：
Map<String, Integer> susuMap = new ConcurrentHashMap<>();
susuMap.put("susu1", 111);
susuMap.put("susu2", 222);
System.out.println(susuMap.get("susu1"));
在使用習慣上完全兼容了HashMap的使用。
JDK1.5版本引入，位於並發包java.util.concurrent下。
在JDK7版本及以前，ConcurrentHashMap類使用了分段鎖的技術（segment + Lock），但在jdk8中，也做了較大改動，使用回了synchronized修飾符。
具體差別，在以后的文章中再詳細介紹。
文章較長，希望能對在看的你有所幫助。
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Reference
1、Java 8系列之重新認識HashMap: https://tech.meituan.com/2016/06/24/java-hashmap.html
2、fail-fast是個什么策略？：http://blog.chinaunix.net/uid-31507842-id-5820534.html