HashMap是一个用于存储Key-Value键值对的集合,每一个键值对也叫做Entry。这些个键值对(Entry)分散存储在一个数组当中,这个数组就是HashMap的主干。(底层是Entry数组+链表(每个Entry里面会形成))

HashMap数组每一个元素的初始值都是Null。

 

HashMap的底层原理

对于HashMap,我们最常使用的是两个方法:Get 和 Put。

1.Put方法的原理

调用Put方法的时候发生了什么呢?

比如调用hashMap.put("apple", 0) ,插入一个Key为“apple"的元素。这时候我们需要利用一个哈希函数来确定Entry的插入位置(index):

index=  Hash(“apple”)

假定最后计算出的index是2,那么结果如下:

 

HashMap的底层原理

 

 

但是,因为HashMap的长度是有限的,当插入的Entry越来越多时,再完美的Hash函数也难免会出现index冲突的情况。比如下面这样:

此时会形成链表结构:

HashMap的底层原理

需要注意的是,新来的Entry节点插入链表时,使用的是“头插法”。至于为什么不插入链表尾部,后面会有解释。 

2.Get方法的原理

使用Get方法根据Key来查找Value的时候,发生了什么呢?

首先会把输入的Key做一次Hash映射,得到对应的index:

index=  Hash(“apple”)

由于刚才所说的Hash冲突,同一个位置有可能匹配到多个Entry,这时候就需要顺着对应链表的头节点,一个一个向下来查找。假设我们要查找的Key

是“apple”:

 

HashMap的底层原理

 

 

第一步,我们查看的是头节点Entry6,Entry6的Key是banana,显然不是我们要找的结果。

第二步,我们查看的是Next节点Entry1,Entry1的Key是apple,正是我们要找的结果。

之所以把Entry6放在头节点,是因为HashMap的发明者认为,后插入的Entry被查找的可能性更大。这就是HashMap的底层原理。

3.问题 

HashMap默认的初始长度是多少?为什么这么规定?

高并发情况下,为什么HashMap可能会出现死锁?

解答:

首先明确一点,HashMap的默认初始长度是16,并且每次自动扩展或是手动初始化时,长度必须是2的幂。

之所以选择16,是为了服务于从Key映射到index的Hash算法,之前说过,从Key映射到HashMap数组的对应位置,会用到一个Hash函数:

index=  Hash(“apple”)

如何实现一个尽量均匀分布的Hash函数呢?我们通过利用Key的HashCode值来做某种运算。

HashMap的发明者采用了位运算的方式。

如何进行位运算呢?有如下的公式(Length是HashMap的长度):

index=  HashCode(Key) &  (Length - 1) 

下面我们以值为“book”的Key来演示整个过程:

1.计算book的hashcode,结果为十进制的3029737,二进制的1011100011101011101001。

2.假定HashMap长度是默认的16,计算Length-1的结果为十进制的15,二进制的1111

3.把以上两个结果做与运算,101110001110101110 1001 & 1111 = 1001,十进制是9,所以index=9。可以说,Hash算法最终得到的index结果,完全取决于Key的Hashcode值的最后几位。

这样做不但效果上等同于取模,而且还大大提高了性能。至于为什么采用16,我们可以试试初始长度是10会出现什么问题。

假设HashMap的长度是10,重复刚才的运算步骤:

 

HashMap的底层原理

 

 

单独看这个结果,表面上并没有问题。我们再来尝试一个新的HashCode  101110001110101110 1011 :

 

HashMap的底层原理

 

 

让我们再换一个HashCode 101110001110101110 1111 试试  :

 

HashMap的底层原理

 

 

是的,虽然HashCode的倒数第二第三位从0变成了1,但是运算的结果都是1001。也就是说,当HashMap长度为10的时候,有些index结果的出现几率会更大,而有些index结果永远不会出现(比如0111)!

这样,显然不符合Hash算法均匀分布的原则。

反观长度16或者其他2的幂,Length-1的值是所有二进制位全为1,这种情况下,index的结果等同于HashCode后几位的值。只要输入的HashCode本身分布均匀,Hash算法的结果就是均匀的。

 4.hashmap的链表结构:

首先查看Hasmap的源码:

HashMap的put方法截图①

HashMap的底层原理

 

HashMap的添加元素Entry方法截图②

HashMap的底层原理

 

我们知道,当你使用put方法将键值对放入HashMap中时,首先会对key值去hash值确定Entry数组中的位置,如果这个位置上已经有元素存在,就会去遍历该位置上的Entry链表对象,替换或者赋值给Entry。

比如,依次加入如下三个元素:(Aa与BBhashcode值相同)

HashMap的底层原理

HashMap添加元素

最后的结果是Entry数组中元素为

HashMap的底层原理

添加结果

BB=123的next指向Aa=222,Aa=111被最后一次Aa=222给更新了

HashMap的底层原理

HashMap链表结构图截

具体的过程如下:

第一次放入Aa=111,在Entry数组下标下标为4的地方放入,之后在放入BB=123时,由于Aa与BB的hashcode相同,得到Entry数组下标也为4,就会在该位置插入BB=123,并将BB=123的next指向Aa=222(执行②中BB的next指向Aa),最后再放入Aa=222,又是数组下标为4,取该位置的Entry链表,取next,发现为Aa=111,于是将Aa=111更新为222(执行①中for循环进行更新).如图:

HashMap的底层原理

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