HashMap和ConcurrentHashMap底层实现原理以及JDK1.7和1.8之间的区别

最新推荐文章于 2022-12-04 17:59:27 发布

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#java

本文详细介绍了HashMap的工作原理，包括其底层结构、插入与查询过程、扩容机制及冲突解决办法。同时对比分析了ConcurrentHashMap在不同JDK版本中的实现差异。

HashMap原理：

HashMap的底层结构：
在JDk1.7是数组+链表，JDK1.8之后则是数组+链表+红黑树结构
它不是线程安全的，核心的点就是put插入数据的过程，get查询数据以及扩容的方式。
Q：为什么要有链表： 因为不同的key可能存在相同的hash值，就会形成链式存储。
在这里插入图片描述
put元素： 在put插入的时候会根据key的hashcode去做hash运算得到一个index值（利用元素key的哈希值对数组长度-1按位与操作得到，为什么不用取模%运算呢？因为java的%比位运算慢10倍左右），根据index值放入数组的相应位置。每一个节点（Node）都会保存自身的hash、key、value、以及下个节点

put的头插和尾插： JDK1.7和1.8的主要区别在于头插和尾插方式的修改，多线程下头插容易导致HashMap链表死循环，resize后前后链表逆序 ，在转移过程中修改了原来链表中节点的引用关系。但是如果使用尾插，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，就不会出现链表成环的问题了，并且1.8之后加入红黑树对性能有提升。

get元素的过程：

首先向get()方法中传递一个key
对key的hashCode()做hash运算，计算在数组中的index;
在get()方法中调用getNode(hash,key)方法，找到对应的hash桶的位置，判断第一个节点是不是直接命中，如果是直接返回，如果有冲突，则往下遍历通过key.equals(k)去查找对应的Entry。
若为树，则在树中通过key.equals(k)查找，O(logn)；
若为链表，则在链表中通过key.equals(k)查找，O(n)。

HashMap的扩容机制（resize）

有两个因素：

Capacity：HashMap长度。默认初始化长度是16。
LoadFactor：负载因子，默认值0.75f。0.75是为了平衡空间和时间的利用率，为了最大程度避免哈希冲突：负载因子太小(0.5)，虽然时间效率提升了hash冲突减少，但是空间利用率降低了，负载因子是1.0的时候，意味着会出现大量的Hash的冲突，底层的红黑树变得异常复杂。对于查询效率极其不利。

分为两步：

1.扩容：创建一个新的Entry空数组，长度是原数组的2倍。并将容器指针（table）指向新数组。
2.ReHash：遍历原Entry数组，把所有的Entry重新Hash到新数组。（重新hash的原因是因为，长度扩大以后，hash的规则也随之改变了）

Q：hashmap冲突怎么解决？

1、开放定址法：是一旦发生了冲突，就去寻找下一个空的散列地址，只要散列表足够大，空的散列地址总能够找到，并将其记录存入。

2、链地址法（又称链接法/拉链法）：将所有的哈希地址冲突的记录存储在同一个线性链表中。（hashmap）

3、再哈希法

HashMap的初始容量是2的n次幂，扩容也是2倍的形式进行扩容，是因为容量是2的n次幂，可以使得添加的元素均匀分布在HashMap中的数组上，减少hash碰撞。

Q：hashmap什么时候链表转红黑树，什么时候红黑树转回链表？

在链表元素数量超过8时改为红黑树，为6的时候退转为链表。中间有个差值7可以防止链表和树之间频繁的转换

HashMap源码作者通过泊松分布算出，当桶中结点个数为8时，出现的几率是亿分之6的，因此常见的情况是桶中个数小于8的情况，此时链表的查询性能和红黑树相差不多，因为转化为树还需要时间和空间，所以此时没有转化成树的必要。

ConcurrentHashMap：

在JDK1.7中，ConcurrentHahMap底层是一个分段数组，采用分段锁Segment+HashEntry的方式进行实现。Segment是继承于ReentrantLock,来保证线程安全的。锁的粒度比较大，锁住整个Segment的，里面包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）

Segment数组的意义就是将一个大的table分割成多个小的table来进行加锁，Segment的初始化容量是16。

put和 get 经过两次Hash运算到达指定的HashEntry，第一次hash到达Segment,第二次到达Segment里面的Entry,然后再遍历entry链表。

put 操作JDK1.7：
先定位Segment，再定位桶，put全程加锁，没有获取锁的线程提前找桶的位置，并最多自旋64次获取锁，超过则挂起。

在这里插入图片描述

在JDK1.8中，它改成了与HashMap一样的数据结构，Node数组+单链表或者红黑树的数据结构(多了同步的操作)，放弃了Segment分段锁机制，而是采用CAS+Synchronized**来保证并发安全进行实现，**Synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的头节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发。

put操作JDK1.8：
由于移除了Segment，类似HashMap，可以直接定位到桶，拿到first节点后进行判断，1、为空则CAS插入；2、为-1则说明在扩容，则跟着一起扩容；3、else则加锁put（类似1.7）

并发处理中先使用的是CAS，当有冲突的时候升级成Synchronized。

在这里插入图片描述

get（）操作基本类似，由于value声明为volatile，保证了修改的可见性，因此不需要加锁。

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