JDK1.7和1.8的HashMap对比详解

HashMap是我们在编程中最常用的map，也是面试中经常考的问题，所以打算深入研究一下hashmap的源码，并且对比7和8中的不同。
一、hashmap的数据结构
hashmap的数据结构是哈希表，核心是基于哈希值的桶，而哈希桶的底层实现其实是数组，数组这种数据结构查找的时间复杂度是O(1)，所以哈希表的查找、删除、插入的**平均时间复杂度**就是O(1)，但是它也有一个致命的缺陷---哈希碰撞（collision），所谓碰撞，举例说明：两个数据映射出来的哈希值相同，就会发生哈希碰撞（冲突）。下面我们来看下java7和java8分别是怎么解决碰撞问题的。
二、Java 7 HashMap（不是线程安全的）
经典的哈希表的实现---**数组+链表**，即如果put到的位置有值了，如果key不一致，则会将新put进来的数据放到这个位置原有值的后面，形成链表。画了个图简单展示下：
先来看几个重要的常量，简单的介绍我已经写在了下面的注释中了，其实就是把他给的英文注释简单翻译一下，他给的英文注释很清晰明了了

/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
* 默认的初始化容量，必须是2的幂次方，默认容量是16（2^4）
* 疑问一：为什么必须是2的幂次方，这样赋值的目的是什么？
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

/**
* The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
* by either of the constructors with arguments.
* MUST be a power of two <= 1<<30.
* 最大容量，这个值我们一般用不上
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
* The load factor used when none specified in constructor.
* 加载因子，默认0.75，加载因子用来判断什么时候需要对hashmap进行resize()
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
这里有个疑问，就是**为什么初始化容量一定是2^n**，这个我们先留着，稍后进行解答。
下面我们先去看下他的默认构造函数HashMap()

/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
* 默认的构造函数，初始容量为16，加载因子为0.75
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
当然，还有可调初始容量和加载因子的构造函数

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* Inflates the table
*/
private vois inflateTable(int toSize) {
iint capacity=roundUpToPowerOf2(toSize);
...//实际开辟空间存储元素
}
这里有一个需要注意的地方，当你输入的initialCapacity不是2^n，roundUpToPowerOf2(param)方法会自动将你输入的值调整为离他最大的 2的幂次方。这里说一句，并不是调用了构造函数的时候就会开辟空间，而是等到调用put方法时才会真正开辟空间存储元素（默认16）。

如何确定这个obj应该对应哪个哈希桶的索引呢？
hashcode的值有-2^(31) ~2^(31)-1，约有42亿个数，默认的哈希桶的容量是16，那么要把这些数据映射到16个桶中，我们都知道求模取余运算，但是这种方法有两个缺点：
（1）负数求模是负数，所以这里就需要将负数变成正数再取余
（2）慢！
当然，在hashmap中并不是这样的，我们看下indexFor(param)方法，这个方法就是用来解决这个问题的

```
static int indexFor(int h, int length){
return h & (length-1);
}
```
即用得到的哈希值对数组的长度进行按位与操作，下面这张图解释了为什么初始容量要是2^(n)
***划重点！！！***
**首先，若初始容量总为2^n，那么-1就可以得到全为1的二进制数，若（length-1）的二进制数并不总为1，h与这个二进制数进行&操作时，某一位永远为0，这个时候会出现某个桶永远不会被选中，始终为空；
其次，再进行&操作的时候，才能非常快速的拿到数组下标，并且分布还是均匀的。**

接下来，来聊一聊jdk1.7中 hash(obj) 方法：

```
final int hash(Object k){
int h=hashSeed;
if(0 != h && k instanceof String){
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
h ^= (h >>> 20) ^ (h>>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
```
从上述贴的代码块中，可以看到先做了一次异或，而后又做了一堆异或。这个方法的注释解释为：获取这个对象的哈希值，然后进行一次补充哈希运算，得到返回结果的哈希值，他能够防御设计的非常的差的分布非常不均匀的哈希函数。如果不这样的话，就可能遇到严重的哈希碰撞。这个解释已经很清楚了，我就不再赘述了，不过这块在java8中已经被抛弃了。

然后我们来说一下**扩容**，字面意思看，就是hashmap满了，需要增大容量，直接贴代码看一下

```
/**
*新的容量是老的容量的两倍，在迁移数据的过程中涉及了一个rehash操作transfer（param）
*/
void resize(int newCapacity){
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if(oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY){
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Ebtry[newCapacity];
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int) Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY+1);
}
```
java7中HashMap存在的问题
（1）容易碰到死锁，形成链表闭环（多线程情况下）
这里简单解释一下为什么会碰到死锁？
我先把扩容的transfer()方法代码块贴上来

```
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;
}
}
}
```
假设当前有两个线程都在进行put操作，分别是线程A和线程B，put的哈希桶的位置已经是一个链表了，链表长度为2，第一个节点的key为key1，其next节点为key2。当线程A走到 Entry<K,V> next = e.next;这行代码时，e指向key1，next指向key2。此刻被线程B抢占了cpu，线程B在rehash后，由于使用了头插法原来的key1->key2变成了key2->key1。这个时候线程A获得了cpu的使用权，继续从之前保留的中断节点开始执行，进入while循环， e = next;就会造成死循环。
（2）潜在的安全隐患---可以通过进行构造的恶意请求引发DOS，即哈希表完全退化成链表，严重影响性能
三、Java 8 HashMap（不是线程安全的）
Java 8是对Java 7的改进，为了解决上述存在的问题
Java 8采用的是---**数组+链表/红黑树**，当链表长度增加到某阈值(8)时，链表将转变为红黑树，并且在元素减少到某阈值时，红黑树复准变为链表。
为什么变成红黑树的阈值是8呢，其实在Java 8 HashMap的注解中有提到，我把这段注释也贴了上来：
```
* Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we
* use them only when bins contain enough nodes to warrant use
* (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due to
* removal or resizing) they are converted back to plain bins. In
* usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are
* rarely used. Ideally, under random hashCodes, the frequency of
* nodes in bins follows a Poisson distribution
* (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a
* parameter of about 0.5 on average for the default resizing
* threshold of 0.75, although with a large variance because of
* resizing granularity. Ignoring variance, the expected
* occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) /
* factorial(k)). The first values are:
*
* 0: 0.60653066
* 1: 0.30326533
* 2: 0.07581633
* 3: 0.01263606
* 4: 0.00157952
* 5: 0.00015795
* 6: 0.00001316
* 7: 0.00000094
* 8: 0.00000006
* more: less than 1 in ten million
```
大致翻译下：若哈希值分布非常好的情况下，树是很少被用到的。理想情况下，在桶中节点的个数服从参数为0.5的泊松分布。即 桶中有0个值的概率是0.6...，所以这就是为什么选择阈值为8，超过8这个概率就非常小了，小于十万分之一。

下面来看代码：
几个重要的常量，中文解释直接写在上面了

```
/**
* The bin count threshold for using a tree rather than list for a
* bin. Bins are converted to trees when adding an element to a
* bin with at least this many nodes. The value must be greater
* than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
* tree removal about conversion back to plain bins upon
* shrinkage.
* 由链表转变为红黑树的阈值-8
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

/**
* The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
* resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
* most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
* 由红黑树转变为链表的阈值-6
*/
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

```
还记得Java 7中的hash()算法吗，就是那个里面一堆异或的算法，在Java 8中，hash()算法只有下面几行，非常清楚简单。不过这里是将h的高16位与低16位进行了异或，在注释中提到，这样做也是为了防止低位相同高位不同的情况。
```
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
```
接下来我们看下put()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;
//初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//找到了对应位置，且为第一个元素，则生成一个新的节点
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//如果找到的对应位置有数据，则对比key是否相同，相同则覆盖掉
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//否则的话 如果该位置的第一个节点是树节点的话，就执行树的插入操作
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
//否则就执行链表的插入操作
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果链表中元素个数超过TREEIFY_THRESHOLD -1 就执行转变红黑树的方法
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
```
**扩容**

```
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
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
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
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;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
```
这个注释我觉得写的非常好，告诉你在rehash时，原元素要么保持不变，要么被迁移到固定的高位，也就是说，加入现在有一个链表的元素需要迁移，那么这些元素去的地方只有两个位置，一个是原地，一个是固定高位。那这是为什么？
还记得我们之前分析的如何根据hashcode定位索引吗，我画了张图，方便理解
Java 8中还对迁移的元素保留的其原来位置的顺序，这样可以降低出现死锁概率，并不能避免，毕竟HashMap不是线程安全的。

那么以上。

原文链接:https://www.cnblogs.com/southtree/p/13034069.html
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