4. Map

1. HashMap（数组+链表+红黑树）
HashMap根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。
HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。
HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap，可能会导致数据不一致。如果需要满足线程安全，可以用Collections的SynchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。
HashMap 使用数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的， 链表长度大于8（TREEIFY_THRESHOLD）时，会把链表转换为红黑树，红黑树节点个数小于6（UNTREEIFY_THRESHOLD）时才转化为链表，防止频繁的转化。

1）JAVA 1.7实现

底层数据结构为数组+链表，大方向上，HashMap里面是一个数组，然后数组中每个元素是一个单向链表。上图中，每个绿色的实体是嵌套类Entry的实例，Entry包含四个属性：key、value、hash值和单向链表的next。
a）capacity：当前数组容量，默认为16，始终保持2^n，可以扩容，扩容后的数组大小为当前的2倍。
b）loadFactor：负载因子，默认为0.75。
c）threshold：扩容的阈值，等于capacity*loadFactor
d）HashMap有扩容机制，就是当达到扩容条件时会进行扩容。扩容条件就是当HashMap中的元素个数超过临界值时就会自动扩容（threshold = loadFactor * capacity）。如果我们没有设置初始容量大小，随着元素的不断增加，HashMap会发生多次扩容。而HashMap每次扩容都需要重建hash表，非常影响性能。所以建议开发者在创建HashMap的时候指定初始化容量。

2）JAVA 1.8实现

底层数据结构为数据+链表+红黑树，1.8对HashMap做了一些修改，最大的不同就是利用了红黑树
根据1.7的介绍，我们知道，查询的时候，根据hash值我们能快速定位到数组的具体下标，但是之后的话，需要顺着链表一个个比较下去才能找到我们需要的，时间复杂度取决于链表的长度，为O(n)。为了降低这部分的开销，在1.8中，当链表的元素超过了8个以后，会将链表转为红黑树，在这些位置进行查找的时候可以降低时间复杂度为O(logN)。

3）红黑树的特征

4）HashMap put方法的流程

a）如果table没有初始化就先进行初始化过程
b）使用hash算法计算key的索引
c）判断索引处有没有存在元素，没有就直接插入
d）如果索引处存在元素，则遍历插入，有两种情况，一种是链表形式就直接遍历到尾端插入，一种是红黑树就按照红黑树结构插入。
e）链表的数量大于阈值8，就要转换成红黑树的结构
f）添加成功后会检查是否需要扩容

5）HashMap扩容过程
a）1.8扩容机制：当元素个数大于threshold时，会进行扩容，使用2倍容量的数组代替原有数组。采用尾插入的方式将原数组元素拷贝到新数组。1.8扩容之后链表元素相对位置没有变化，而1.7扩容之后链表元素会倒置。
b）1.7链表新节点采用的是头插法，这样在线程一扩容迁移元素时，会将元素顺序改变，导致两个线程中出现元素的相互指向而形成循环链表，1.8采用了尾插法，避免了这种情况的发生。
c）原数组的元素在重新计算hash之后，因为数组容量n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit。在元素拷贝过程不需要重新计算元素在数组中的位置，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”（根据e.hash & oldCap == 0判断） 。这样可以省去重新计算hash值的时间，而且由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的，因此resize的过程会均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket。

2. ConcurrentHashMap
多线程环境下，使用Hashmap进行put操作会引起死循环，应该使用支持多线程的 ConcurrentHashMap。
ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 之前是采用分段锁来现实的 Segment + HashEntry，Segment 数组大小默认是 16，2 的 n 次方；
JDK 1.8 之后取消了segment分段锁，采用 Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现。数据结构采用数组+链表/红黑二叉树。synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，相比1.7锁定HashEntry数组，锁粒度更小，支持更高的并发量。当链表长度过长时，Node会转换成TreeNode，提高查找速度。

1）JAVA 1.7实现

a）Segment段
ConcurrentHashMap 和 HashMap 思路是差不多的，但是因为它支持并发操作，所以要复杂一
些。整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的
意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了“槽”来代表一个
segment。
b）线程安全（Segment继承ReentrantLock锁）
简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承
ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每
个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。
c）并行度（默认 16）
concurrencyLevel：并行级别、并发数、Segment 数，怎么翻译不重要，理解它。默认是 16，
也就是说 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，这个时候，最多可以同时支
持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时
候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。再具体到每个 Segment 内部，其实
每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

2）JAVA 1.8实现
Java8 对 ConcurrentHashMap 进行了比较大的改动,Java8 也引入了红黑树。

3）ConcurrentHashMap put方法执行流程
在put的时候需要锁住Segment，保证并发安全。调用get的时候不加锁，因为node数组成员val和指针next是用volatile修饰的，更改后的值会立刻刷新到主存中，保证了可见性，node数组table也用volatile修饰，保证在运行过程对其他线程具有可见性。

点击查看代码

transient volatile Node<K,V>[] table;

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
}

**put方法操作流程：** a）如果table没有初始化就先进行初始化过程 b）使用hash算法计算key的位置 c）如果这个位置为空则直接CAS插入，如果不为空的话，则取出这个节点 d）如果取出来节点的hash值是MOVED(-1)的话，则表示当前正在对这个节点进行扩容，复制到新的数组，则当前线程也去帮助复制 e）如果这个节点不为空也没有在扩容，则通过synchronized来加锁，进行添加操作，这里有两种情况，一种是链表形式就直接遍历到尾端插入或者覆盖掉相同的key，一种是红黑树就按照红黑树结构插入 f）链表的数量大于阈值8，就会转成红黑树的结构或者进行扩容（table长度小于64） g）添加成功后会检查是否需要扩容

4）如何进行扩容
数组扩容transfer方法中会设置一个步长，表示一个线程处理的数组长度，最小值是16。在一个步长范围内只有一个线程会对其进行复制移动操作。

3. HashTable（线程安全）
1）HashTable是遗留类，很多映射的常用功能与 HashMap 类似，不同的是它承自Dictionary 类
2）HashTable中大部分public修饰普通方法都是 synchronized 字段修饰的，是线程安全的，任一时间只有一个线程能写 Hashtable，并发性不如 ConcurrentHashMap。
3）HashTable 的 key 不能为 null，value 也不能为 null，会抛出空指针异常
4）HashTable 直接使用对象的 hash 值。hash 值是 JDK 根据对象的地址或者字符串或者数字算出来的 int 类型的数值。然后再使用除留余数法来获得最终的位置。然而除法运算是非常耗费时
间的，效率很低。
5）默认情况下，HashTable的初始长度是 11，之后每次扩充容量变为之前的2n+1（n 为上一次的长度）
6）HashTable 是线程安全，推荐使用 HashMap 代替 HashTable；如果需要线程安全高并发的话，推荐使用 ConcurrentHashMap 代替 HashTable。

4. TreeMap（可排序）
TreeMap是一个能比较元素大小的Map集合，会对传入的key进行了大小排序。可以使用元素的自然顺序，也可以使用集合中自定义的比较器来进行排序。

点击查看代码

public class TreeMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
}

**TreeMap 的继承结构：**  **TreeMap的特点：** TreeMap是有序的key-value集合，通过红黑树实现。根据键的自然顺序进行排序或根据提供的Comparator进行排序。 TreeMap继承了AbstractMap，实现了NavigableMap接口，支持一系列的导航方法，给定具体搜索目标，可以返回最接近的匹配项。 如floorEntry()、ceilingEntry()分别返回小于等于、大于等于给定键关联的Map.Entry()对象，不存在则返回null。 lowerKey()、floorKey、ceilingKey、higherKey()只返回关联的key。

5. LinkedHashMap（记录插入顺序）
LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用 Iterator 遍历LinkedHashMap 时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。

HashMap是无序的，迭代HashMap所得到元素的顺序并不是它们最初放到HashMap的顺序，即不能保持它们的插入顺序。
LinkedHashMap继承于HashMap，是HashMap和LinkedList的融合体，具备两者的特性。每次put操作都会将entry插入到双向链表的尾部。