1.HashMap底层实现

底层实现在jdk1.7和jdk1.8是不一样的

jdk1.7采用数组加链表的方式实现 jdk1.8采用数组加链表或者红黑树实现

HashMap中每个元素称之为一个哈希桶(bucket),哈希桶包含的内容有以下4项

• hash值（哈希函数计算出来的值）

• Key

• value

• next(下一个节点默认).

默认情况下，在jdk1.8+版本中，HashMap使用的是数组加链表的形式存储的，而当数组的长度大于64，并且链表的长度大于8时，就会将链表升级成红黑树，以增加HashMap的查询时的性能

初始容量：HashMap的初始容量为0，这是一种懒加载的方式，直到第一次put操作才会初始化数组大小默认为16

2.ConcurrentHashMap原理?为什么要这样改进

ConcurrentHashMap在不同的JDK版本中实现也是不同的。

在JDK1.7中它使用的是数组加链表的形式实现的，而数组分为：大数组Segment和小数组HashEntry。 而大数组Segment可以理解为MYSQL中的数据库，而每个数据库（Segment）中又有很多张表HashEntry，每一个HashEntry又有多条数据，这些数据用链表连接的，如下图所示:

而在JDK1.7中，ConcurrentHashMap是通过在Segment加锁来保证其安全性的，所以我们把它称为分段锁或片段锁，如下图所示

它实现的源码如下:

从上面的源码可以看出，JDK1.7时，ConcurrentHashMap主要用ReentrantLock进行加锁来实现线程安全的。 而在JDK1.8中，它是使用了数组+链表/红黑树的方式优化了concurrentHashMap的实现，具体结构如下

链表升级为红黑树的规则：当链表长度大于8，并且数组的长度大于64时，链表就会升级为红黑树的结构。

注意：ConcurrentHashMap在jdk1.8+虽然保留了Segment的定义，但这只是为了保证序列化时的兼容性，不再有任何结构上的用处了。

在JDK1.8中的ConcurrentHashMap使用的是CAS+volatile或者syncHronized的方式来保证线程安全的，他的核心实现源码如下。

//ConcurrentHashMap使用volatile修饰节点数组，保证其可见性，禁止指令重排。
//而HashMap没有使用volatile，  transient Node<K,V>[] table; 
transient volatile Node<K,V>[] table;
public V put(K key, V value) {return putVal(key, value, false);
}final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {// key和value都不能为nullif (key == null || value == null) throw new NullPointerException();int hash = spread(key.hashCode());int binCount = 0;for (Node<K,V>[] tab = table;;) {  //死循环，可视为乐观锁Node<K,V> f; int n, i, fh;if (tab == null || (n = tab.length) == 0)// 如果tab未初始化或者个数为0，则初始化node数组tab = initTable();else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))// 如果使用CAS插入元素时，发现已经有元素了，则进入下一次循环，重新操作// 如果使用CAS插入元素成功，则break跳出循环，流程结束break;                   // no lock when adding to empty bin}else if ((fh = f.hash) == MOVED)// 如果要插入的元素所在的tab的第一个元素的hash是MOVED，则当前线程帮忙一起迁移元素tab = helpTransfer(tab, f);else {   //发生hash冲突// 如果这个tab不为空且不在迁移元素，则锁住这个tab（分段锁）// 并查找要插入的元素是否在这个tab中// 存在，则替换值（onlyIfAbsent=false）// 不存在，则插入到链表结尾或插入树中V oldVal = null;synchronized (f) {// 再次检测第一个元素是否有变化，如果有变化则进入下一次循环，从头来过if (tabAt(tab, i) == f) {// 如果第一个元素的hash值大于等于0（说明不是在迁移，也不是树）// 那就是tab中的元素使用的是链表方式存储if (fh >= 0) {// tab中元素个数赋值为1binCount = 1;// 遍历整个tab，每次结束binCount加1for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {K ek;if (e.hash == hash &&((ek = e.key) == key ||(ek != null && key.equals(ek)))) {// 如果找到了这个元素，则赋值了新值（onlyIfAbsent=false），并退出循环oldVal = e.val;if (!onlyIfAbsent)e.val = value;break;}Node<K,V> pred = e;if ((e = e.next) == null) {// 如果到链表尾部还没有找到元素，就把它插入到链表结尾并退出循环pred.next = new Node<K,V>(hash, key,value, null);break;}}}else if (f instanceof TreeBin) {// 如果第一个元素是树节点Node<K,V> p;// tab中元素个数赋值为2binCount = 2;// 调用红黑树的插入方法插入元素，如果成功插入则返回null，否则返回寻找到的节点if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,value)) != null) {// 如果找到了这个元素，则赋值了新值（onlyIfAbsent=false），并退出循环oldVal = p.val;if (!onlyIfAbsent)p.val = value;}}}}// 如果binCount不为0，说明成功插入了元素或者寻找到了元素if (binCount != 0) {// 如果链表元素个数达到了8，则尝试树化// 因为上面把元素插入到树中时，binCount只赋值了2，并没有计算整个树中元素的个数，所以不会重复树化if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)treeifyBin(tab, i);// 如果要插入的元素已经存在，则返回旧值if (oldVal != null)return oldVal;// 退出外层大循环，流程结束break;}}}// 成功插入元素，元素个数加1（是否要扩容在这个里面）addCount(1L, binCount);// 成功插入元素返回nullreturn null;
}
public V get(Object key) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;// 计算hashint h = spread(key.hashCode());// 判断数组是否为空，通过key定位到数组下标是否为空if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {// 如果第一个元素就是要找的元素，直接返回if ((eh = e.hash) == h) {if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))return e.val;}else if (eh < 0)// hash小于0，说明是树或者正在扩容// 使用find寻找元素，find的寻找方式依据Node的不同子类有不同的实现方式return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;// 遍历整个链表寻找元素while ((e = e.next) != null) {if (e.hash == h &&((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))return e.val;}}return null;
}
public V remove(Object key) {// 调用替换节点方法return replaceNode(key, null, null);
}final V replaceNode(Object key, V value, Object cv) {// 计算hashint hash = spread(key.hashCode());// 循环遍历数组for (Node<K,V>[] tab = table;;) {Node<K,V> f; int n, i, fh;//校验参数if (tab == null || (n = tab.length) == 0 ||(f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null)break;else if ((fh = f.hash) == MOVED)// 如果正在扩容中，协助扩容tab = helpTransfer(tab, f);else {V oldVal = null;// 标记是否处理过boolean validated = false;//用 synchronized 同步锁，保证并发时元素移除安全synchronized (f) {// 再次验证当前tab元素是否被修改过if (tabAt(tab, i) == f) {if (fh >= 0) {// fh>=0表示是链表节点validated = true;// 遍历链表寻找目标节点for (Node<K,V> e = f, pred = null;;) {K ek;if (e.hash == hash &&((ek = e.key) == key ||(ek != null && key.equals(ek)))) {V ev = e.val;if (cv == null || cv == ev ||(ev != null && cv.equals(ev))) {oldVal = ev;if (value != null)e.val = value;else if (pred != null)pred.next = e.next;elsesetTabAt(tab, i, e.next);}break;}pred = e;// 遍历到链表尾部还没找到元素，跳出循环if ((e = e.next) == null)break;}}else if (f instanceof TreeBin) {// 如果是树节点validated = true;TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;TreeNode<K,V> r, p;// 遍历树找到了目标节点if ((r = t.root) != null &&(p = r.findTreeNode(hash, key, null)) != null) {V pv = p.val;if (cv == null || cv == pv ||(pv != null && cv.equals(pv))) {oldVal = pv;if (value != null)p.val = value;else if (t.removeTreeNode(p))setTabAt(tab, i, untreeify(t.first));}}}}}// 如果处理过，不管有没有找到元素都返回if (validated) {// 如果找到了元素，返回其旧值if (oldVal != null) {// 如果要替换的值为空，元素个数减1if (value == null)addCount(-1L, -1);return oldVal;}break;}}}// 没找到元素返回空return null;
}

从上述代码可以看出，在JDK1.8中，添加元素首先会判断容器是否为空，如果为空则使用volatile加cas来初始化。如何容器不为空则根据存储的元素计算改位置是否为空，如果为空则利用cas设置该节点；如果不为空则使用synchronize加锁，遍历桶中的数据，替换或新增节点到桶中，最后再判断是否需要转为红黑树，这样就能保证并发访问时的线程安全了。

put操作总结

做插入操作时，首先进入乐观锁，在乐观锁中判断容器是否初始化，
如果没初始化则初始化容器；如果已经初始化，则判断该hash位置的节点是否为空，
如果为空，则通过CAS操作进行插入。
如果该节点不为空，再判断容器是否在扩容中，如果在扩容，则帮助其扩容。如果没有扩容，则进行最后一步，先加锁，然后找到hash值相同的那个节点(hash冲突)，
循环判断这个节点上的链表，决定做覆盖操作还是插入操作。
循环结束，插入完毕。

get操作总结

步骤如下：

• 判断数组是否为空，通过key定位到数组下标是否为空；
• 判断node节点第一个元素是不是要找到，如果是直接返回；
• 如果是红黑树结构，就从红黑树里面查询；
• 如果是链表结构，循环遍历判断。

ConcurrentHashMap的get()方法没有加synchronized锁，为什么可以不加锁？因为table有volatile关键字修饰，保证每次获取值都是最新的。

【Hashtable的get(Object key)方法加了synchronized锁，性能较差】

总结：我们把上述流程简化一下，可以简单的认为在JDK1.8中，ConcurrentHashMap是在头节点加锁来保证线程安全的，锁的粒度相比JDK1.7的Segment来说就更小了，发生冲突和加锁的频率降低了，并发操作的性能就提高了，而且JDK1.8使用的红黑树优化了之前的固定链表，那么当数据量比较大的时候，查询效率也得到了很大的提升，从之前的O(n)优化到了O(logn)的时间复杂度，具体加锁示意图如下所示:

3.HashMap为什么是线程不安全的

• 在jdk1.7中，在多线程的环境下，扩容时会出现死循环，数据丢失 的问题
• 在jdk1.8+中，在多线程的环境下，会发生数据覆盖的问题

原因：

• 在jdk1.7中，HashMap扩容时使用的是头插法插入元素 。具体原因：在HashMap出发扩容时，正好两个线程同时在操作同一个链表，当线程A被挂起，线程B完成数据插入，等cpu资源释放，线程A重新执行之前的逻辑，数据已经发生改变，线程A，B，数据会形成环形链表造成死循环,数据丢失问题

• 在jdk1.8中，HashMap扩容使用了尾插法 这样避免了死循环问题，由于多线程对HashMap进行put操作，调用了HashMap#putVal()，如果两个线程并发执行 put 操作，并且两个数据的 hash 值冲突，就可能出现数据覆盖。具体原因：线程 A 判断 hash 值位置为 null，还未写入数据、由于时间片耗尽导致被挂起，此时线程 B 正常插入数据。接着线程 A 获得时间片，由于线程 A 之前已进行hash碰撞的判断，所以此时不会再进行判断、而是直接进行插入，就会把刚才线程 B 写入的数据覆盖掉

jdk1.7扩容代码如下

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;}}}

在多线程下安全使用HashMap，可以使用一下策略

1. 使用线程安全替代类 :ConcurrentHashMap集合类,强烈推荐
2. 使用线程局部变量 : 为每个线程维护一个独立的HashMap实例，以避免线程间竞争。ThreadLocal<Map<String, Integer>> threadLocalMap = ThreadLocal.withInitial(HashMap::new);

4.HashMap和ConcurrentHashMap区别

• 线程是否安全

• HashMap不是线程安全的

• concurrentHashMap是线程安全的，是通过segment分段锁-继承ReentrantLock(JDK1.7可重入锁),cas和synchronized(jdk1.8内置锁)来进行加锁，实现线程安全

• 底层数据结构

• HashMap：在jdk1.7时，数组+链表,jdk1.8时采用数组+链表+红黑树

• ConcurrentHashMap：JDK1.8之前Segment+数组+链表，JDK1.8之后数组+链表+红黑树

5.HashMap和HashTable区别

Hashtable和HashMap都是 基于hash表实现的K-V结构的集合，Hashtable是jdk1.0引入的一个线程安全的集合类，内部使用数组+链表的形式来实现

从功能特性的角度来说

1、Hashtable是线程安全的（HashTable 对每个方法都增加了 synchronized），而HashMap不是

2、HashMap的性能要比Hashtable更好，因为Hashtable采用了全局同步锁来保证安全性，对性能影响较大

从内部实现的角度来说

1）Hashtable使用数组加链表，HashMap JDK1.7数组+链表、JDK1.8 数组+链表+红黑树

2）HashMap初始容量是16，Hashtable初始容量是11

3）HashMap可以使用null作为key；而Hashtable不允许 null 作为 Key，会抛出NullPointerException异常

他们两个的key的散列算法不同：Hashtable直接是使用key的hashcode对数组长度取模；而HashMap对key的hashcode做了二次散列，从而避免key的分布不均匀影响到查询性能

6.HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap区别

HashMap、Hashtable、ConcurrentHashMap都是 基于hash表实现的K-V结构的集合，在线程安全、底层数据结构方面有所区别

• HashMap：线程不安全，因为HashMap中操作都没有加锁，因此在多线程环境下会导致数据覆盖之类的问题，所以，在多线程中使用HashMap是会抛出异常的
• Hashtable：线程安全，但是Hashtable只是单纯的在添加put、删除remove、查询get方法上加synchronized，保证插入时阻塞其他线程的插入操作。虽然安全，但因为设计简单，所以性能低下（HashMap的性能要比Hashtable更好，因为Hashtable采用了全局同步锁来保证安全性，对性能影响较大）
• ConcurrentHashMap：线程安全，ConcurrentHashMap并非锁住整个方法，而是通过原子操作和局部加锁的方法保证了多线程的线程安全，且尽可能减少了性能损耗。Segment分段锁–继承 ReentrantLock（JDK1.7重入锁）、CAS和synchronized(JDK1.8内置锁)

7.为什么 HashMap 采用拉链法而不是开放地址法？

Java 给予 HashMap 的定位是一个相对通用的散列表容器，它应该在面对各种输入的时候都表现稳定。而开发地址法相对来说容易出现数据堆积，在数据量较大时可能出现连续冲突的情况，性能不够稳定。

我们可以举个反例，在 Java 原生的数据结构中，也存在使用开放地址法的散列表 —— 就是 ThreadlLocal。因为项目中不会大量使用 ThreadLocal 线程局部存储，所以它是一个小规模数据场景，这里使用开发地址法是没问题的。

8.Map对比

实现类	数据结构	是否线程安全	key是否可为null	是否有序
HashMap	哈希表结构，jdk1.7 数组+链表，jdk1.8 数组+链表+红黑树	否	是	否
ConcurrentHashMap	哈希表结构，jdk1.7 数组+链表，jdk1.8 数组+链表+红黑树	是	否	否
Hashtable	哈希表结构，数组+链表	是	否	否
LinkedHashMap	继承自HashMap，数组+链表+红黑树+双重链接列表	否	是	是
TreeMap	红黑树	否	否	是