HashMap的工作原理概述
HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变。
在Java编程语言中,最基本的结构就是两种,一个是数组,另外一个是模拟指针(引用),所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的,HashMap也不例外。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体。
/**
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry[] table;
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
……
}
HashMap底层就是一个数组结构,数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候,就会初始化一个数组。
Entry就是数组中的元素,每个 Map.Entry 其实就是一个key-value对,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表。
哈希表
在数据结构中有一种称为哈希表的数据结构,它实际上是数组的推广。如果有一个数组,要最有效的查找某个元素的位置,如果存储空间足够大,那么可以对每个元素和内存中的某个地址对应起来,然后把每个元素的地址用一个数组(这个数组也称为哈希表
)存储起来,然后通过数组下标就可以直接找到某个元素了。这种方法术语叫做直接寻址法
。这种方法的关键是要把每个元素和某个地址对应起来,所以如果当一组数据的取值范围很大的时候,而地址的空间又有限,那么必然会有多个映射到同一个地址,术语上称为哈希冲突
,这时映射到同一个地址的元素称为同义词
。毕竟,存储空间有限,所以冲突是不可避免的,但是可以尽量做到减少冲突。目前有两种比较有效的方法来解决哈希冲突:
- 链地址法
- 开放地址法
链地址法
链地址法的大概思想是:对于每个关键字,使用哈希函数确定其在哈希表中位置(也就是下标),如果该位置没有元素则直接映射到该地址;如果该位置已经有元素了,就把该元素连接到已存在元素的尾部,也就是一个链表,并把该元素的next设置为null。这样的话,每个哈希表的位置都可能存在一个链表,这种方式要查找某个元素效率比较高,时间复杂度为O(1+a),a为哈希表中每个位置链表的平均长度。这里需要假设每个元素都被等可能映射到哈希表中的任意一个位置。
下面这张图展示了链地址法的过程:

HashMap底层实现
HashMap允许使用null作为key或者value,并且HashMap不是线程安全的,除了这两点外,HashMap与Hashtable大致相同
当多个线程同时(严格来说不能称为同时,因为CPU每次只能允许一个线程获取资源,只不过时间上非常短,CPU运行速度很快,所以理解为同时
)修改哈希映射,那么最终的哈希映射(就是哈希表)的最终结果是不能确定的,这只能看CPU心情了。如果要解决这个问题,官方的参考方案是保持外部同步,什么意思?看下面的代码就知道了:
Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));
但是不建议这么使用,因为当多个并发的非同步操作修改哈希表的时候,最终结果不可预测,所以使用上面的方法创建HashMap的时候,当有多个线程并发访问哈希表的情况下,会抛出异常,所以并发修改会失败。比如下面这段代码:
public static void main(String[] args) {
Map<Integer, String> collectionSynMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Integer, String>());
for (int i=0; i<20; i++){
collectionSynMap.put(i, String.valueOf(i));
}
Set<Entry<Integer, String>> keySets = collectionSynMap.entrySet();
Iterator<Entry<Integer, String>> keySetsIterator = keySets.iterator();
while(keySetsIterator.hasNext()){
Entry<Integer, String> entrys = (Entry<Integer, String>)keySetsIterator.next();
if(entrys.getValue().equals("4")){
System.out.println(entrys.getValue());
collectionSynMap.remove(4);
// keySetsIterator.remove();
// System.out.println(entrys);
}
System.out.println(entrys);
}
}
就会抛出ConcurrentModificationException异常,因为在使用迭代器遍历的时候修改映射结构,但是使用代码中注释的删除是不会抛出异常的。
通过上面的分析,我们初步了解HashMap的非线程安全的原理,下面从源码的角度分析一下,为什么HashMap不是线程安全的:
public V put(K key, V value) {
//这里省略了对重复键值的处理代码
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
那么问题应该处在addEntry()上,下面来看看其源码:
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//如果达到Map的阈值,那么就扩大哈希表的容量
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
//扩容
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
//创建Entry键值对,此处省略这部分代码
}
假设有线程A和线程B都调用addEntry()方法,线程A和B会得到当前哈希表位置的头结点(就是上面链地址法的第一个元素),并修改该位置的头结点,如果是线程A先获取头结点,那么B的操作就会覆盖线程A的操作,所以会有问题。
下面再看看resize方法的源码:
void resize(int newCapacity) {
//此处省略如果达到阈值扩容为原来两倍的过程代码
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//把当前的哈希表转移到新的扩容后的哈希表中
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
所以如果有多个线程执行put方法,并调用resize方法,那么就会出现多种情况,在转移的过程中丢失数据,或者扩容失败,都有可能,所以从源码的角度分析这也是线程不安全的。
HashMap测试代码
public static void main(String[] args) {
Map<Integer, String> hashMap = new HashMap<Integer, String>();
for (int i=0; i<20; i++){
hashMap.put(i, String.valueOf(i));
}
Set<Entry<Integer, String>> keySets = hashMap.entrySet();
final Iterator<Entry<Integer, String>> keySetsIterator = keySets.iterator();
Thread t3 = new Thread(){
public void run() {
while(keySetsIterator.hasNext()){
Entry<Integer, String> entrys = (Entry<Integer, String>)keySetsIterator.next();
System.out.println(entrys.getValue());
if(entrys.getValue().equals("1")){
System.out.println(entrys.getValue());
hashMap.remove(1);
}
}
}
};
Thread t4 = new Thread(){
public void run(){
while(keySetsIterator.hasNext()){
Entry<Integer,String> entrys = (Entry<Integer, String>) keySetsIterator.next();
System.out.println(entrys.getValue());
if(entrys.getValue().equals("1")){
System.out.println(entrys.getValue());
hashMap.remove(1);
}
}
}
};
t3.start();
t4.start();
}
这段代码启动了两个线程并发修改HashMap的映射关系,所以会抛出两个ConcurrentModificationException异常,通过这段测试代码在此证明了HashMap的非线程安全。