HashMap

• HashMap
  
  • 使用分析
    • 特点
      • 键值存储
      • 无序存储
      • 动态扩容
      • 允许空键和空值
      • 快速查找和插入
      • 不是线程安全的
      • 使用 2 的幂作为哈希表的大小
    • 使用场景
      • 单线程下的无序的键值存储集合，如果要有序可以用TreeMap,如果要多线程可以用ConcurrentHashMap
  • 设计分析
    • 设计目标
      • 单线程下的键值存储集合
    • 设计思路
      • 基于数据拉链和红黑树的结构实现
      • 哈希算法的应用确定key再数组中的下标
      • 动态扩容机制：
      • 单线程场景
      • 存储内容
        • Key可以为null,  但 null 作为键只能有一个
        • value可以为null,但null 作为值可以有多个
      • 快速失败机制fail- fast
        • 在增加删除操作时modcount增加 
        • 在获取迭代器遍历时，迭代器保存了ArrayList当前modcoun值，在迭代器每次执行next时先比较保存的modcoun和ArrayList当前的modcoun不同时，抛出异常ConcurrentModificationException
        • https://www.cnblogs.com/ldq2016/p/18751225
    • 设计模式
      • 工厂方法模式
        • 在 HashMap 中的体现：HashMap 中的 newNode 方法可看作是工厂方法。当需要创建新的节点（Node）时，并没有直接使用 new 关键字创建，而是通过调用 newNode 方法。这为后续扩展节点类型提供了便利，例如在 LinkedHashMap 中重写了 newNode 方法，创建了 LinkedHashMap.Entry 类型的节点，实现了不同的功能（如维护插入顺序）。
      • 迭代器模式
        • 在 HashMap 中的体现：HashMap 实现了 Iterable 接口，提供了 iterator() 方法来获取迭代器。通过迭代器，用户可以方便地遍历 HashMap 中的元素，而无需了解其内部存储结构（如数组、链表、红黑树）。例如 KeyIterator、ValueIterator 和 EntryIterator 分别用于遍历键、值和键值对。
      • 策略模式
        • 在 HashMap 中的体现：HashMap 中的哈希函数可以看作是一种策略。不同的键类型可能需要不同的哈希计算方式，但 HashMap 通过 hash() 方法将这种计算策略封装起来，用户可以使用默认的哈希计算方式，也可以通过自定义键的 hashCode() 方法来改变哈希计算策略。
      • 模板方法模式
        • 在 HashMap 中的体现：HashMap 中的 putVal 方法定义了插入元素的基本流程，包括计算哈希值、定位桶位置、处理哈希冲突等步骤，但其中一些步骤（如 afterNodeAccess、afterNodeInsertion）在 HashMap 中只是空实现，在 LinkedHashMap 等子类中进行了具体实现，用于实现额外的功能（如维护访问顺序）。
      • 组合模式
        • 概念：将对象组合成树形结构以表示 “部分 - 整体” 的层次结构。组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。 在 HashMap 中的体现：HashMap 内部使用数组存储节点，当发生哈希冲突时，会以链表或红黑树的形式存储多个节点。从整体上看，HashMap 是一个容器，其中的数组、链表和红黑树可以看作是不同层次的组合结构，用户可以将它们统一视为存储元素的整体来进行操作。
  • 源码分析 jdk1.8
    • 继承
      • public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
            implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
    • 数据结构
      • jdk1.8 数组+链表+红黑树
        
        • 数组：数组里存储的是链表节点的头对象Node
        • 链表：当有多个键值数据要存储到一个下标时，将新的数据使用尾插入，插入链表
        • 红黑树：
          
          • 当数组长度大于或等于64，并且某个下标里的链表长度大于等于8个时，将链表结构改为红黑树结构，提高查找效率
          • 当红黑树节点小于或等于6个时，将红黑树转化为链表
    • 确定键值在数组中的下标
      • key获取hashcode
        
        • key如果是null 返回为0
        • key如果不是null  返回key.hashCode()
      • hashcode进行扰动处理：
        
        • 扰动的目的是为了减少哈希碰撞
        • 将hashcode和hashcode的低16位进行异或处理
        • 让和数组容量与hashCode进行取模运算时，只用到了hashcode的低16位，所以要通过hash扰动处理让低16位同时具有原本hashCode低16位和高16位的特点，来减少哈希碰撞
      • 将扰动后的hashcode和数组最大下标进行取模运算得到要插入的下标
        
        • 计算方式：（tab.length - 1）& hash
      • 代码
    • 容量
      • initialCapacity 初始容量（默认16）
        
        • 构建时没有指定容量Size ，使用16长度
        • 构建时指定容量Size小于16 ，使用16
        • 构建时指定容量Size大于16 ，使用大于等于size的最小2次幂
          
        • 构建时指定容量Size大于MAXIMUM_CAPACITY（ 2 的 30 次方） ，使用MAXIMUM_CAPACITY（ 2 的 30 次方）
        • hashmap的最大容量为MAXIMUM_CAPACITY（ 2 的 30 次方）
          
          • 如果旧容量已经达到 HashMap 支持的最大容量 MAXIMUM_CAPACITY（ 2 的 30 次方），不再扩容，只将阈值 threshold调整为 Integer.MAX_VALUE（2 的 31 次方 - 1）
      • threshold 阀值：
        
        • map保存的键值个数大于阀值时开始扩容
        • 计算方式：数组长度*加载因子   threshold=initialCapacity*loadFactor
        • threshold 阈值：hashMap所能容纳的最大键值对数量，如果超过则需要扩容，计算方式：threshold=initialCapacity*loadFactor（构造方法中直接通过tableSizeFor(initialCapacity)方法进行了赋值，主要原因是在构造方法中，数组table并没有初始化，put方法中进行初始化，同时put方法中也会对threshold进行重新赋值，这个会在后面的源码中进行分析）
      • loadFactor 加载因子（默认0.75）
        • 加载因子越大，空间利用率越高，但是查找效率越低，因为hash碰撞概率就越高，查找时遇到的链表越多越长，导致查找效率降低
        • 加载因子越小，hash碰撞概率就越低，查找时遇到的链表越少越短，查找效率越高，但是会导致空间利用率降低
        • 考虑空间利用率和查找效率的平衡，结合大量数据实践和分析，选出0.75作为一个平衡点
      • 扩容倍数为2倍
      • HashMap 通常使用 2 的幂作为数组的长度
      • 扩容
        • 创建新数组
          • 原长度为0时，新长度为16，阀值为16*0.75
          • 原长度为MAXIMUM_CAPACITY（ 2 的 30 次方）时，新长度为MAXIMUM_CAPACITY（ 2 的 30 次方），阀值为Integer.MAX_VALUE（2 的 31 次方 - 1）
          • 其他情况，长度为2倍原长度，阀值为新长度*0.75
        • 将老数据移动到新数据，链表使用头插法
        • 移动数据到新数组
          • 在 JDK 8 的数组长度为2的幂次和hash 扰动算法下，数组扩容2倍后的索引位置，要么就是原来的索引位置，要么就是“原索引+原来的容量”，遵循一定的规律。
          • jdk1.8链表在插入新数据时用的尾部插法,jdk1.7用的是头插法
            
            • 头插法会导致，在扩容后，链表里的数据顺序颠倒
          • 如果节点Node的next == null，直接放在新数组中
            
          • 如果节点Node是树节点，将树分裂成两个树，如果分裂后的树节点小于等于6个则将树转换为链表结构
            
          • 其他情况，将原列表分列成两个链表
            • 低位链表在新数组的下标为：原来的索引位置
            • 高位链表在新数组的下标为：原索引+原来的容量
    • 快速失败机制fail- fast
      • 在增加删除操作时modcount增加 
      • 在获取迭代器遍历时，迭代器保存了ArrayList当前modcoun值，在迭代器每次执行next时先比较保存的modcoun和ArrayList当前的modcoun不同时，抛出异常ConcurrentModificationException
      • https://www.cnblogs.com/ldq2016/p/18751225
    • 源码文章
      • https://javabetter.cn/collection/hashmap.htm
      • https://javaguide.cn/java/collection/hashmap-source-code.html
  • 面试问题
    • jdk1.7 在多线程下扩容因为使用头插法可能出现死循环，jdk1.8修复，改为尾插法
    • 多线程下 put 会导致元素丢失
    • put 和 get 并发时会导致 get 到 null
      • 线程 1 执行 put 时，因为元素个数超出阈值而导致出现扩容，线程 2 此时执行 get，就有可能出现这个问题。