HashMap专题：HashMap的实现原理–链表散列

HashTable专题：Hashtable数据存储结构-遍历规则，Hash类型的复杂度为啥都是O(1)-源码分析

Hash,Tree数据结构时间复杂度分析：HashMap, HashTable，HashSet,TreeMap 的时间复杂度

总结：

1.ConcurrentHashMap与HashMap和Hashtable 最大的不同在于：put和 get 两次Hash到达指定的HashEntry，第一次hash到达Segment,第二次到达Segment里面的Entry,然后在遍历entry链表

2:HashSet底层采用的是HashMap进行实现的，但是没有key-value，只有HashMap的key set的视图，HashSet不容许重复的对象

3:Hashtable是基于Dictionary类的，而HashMap是基于Map接口的一个实现

4:Hashtable里默认的方法是同步的，而HashMap则是非同步的，因此Hashtable是多线程安全的

5:HashMap可以将空值作为一个表的条目的key或者value,HashMap中由于键不能重复，因此只有一条记录的Key可以是空值，而value可以有多个为空，但HashTable不允许null值(键与值均不行)

6:内存初始大小不同，HashTable初始大小是11，而HashMap初始大小是16

7:内存扩容时采取的方式也不同，Hashtable采用的是2old+1,而HashMap是2old。

①HashMap的工作原理

HashMap实现了Map接口，Map接口对键值对进行映射。Map中不允许重复的键。Map接口有两个基本的实现，HashMap和TreeMap。TreeMap保存了对象的排列次序，而HashMap则不能。HashMap允许键和值为null。HashMap是非synchronized的，但collection框架提供方法能保证HashMap synchronized，这样多个线程同时访问HashMap时，能保证只有一个线程更改Map。

public Object put(Object Key,Object value) 方法用来将元素添加到map中。

HashMap基于hashing原理，我们通过put()和get()方法储存和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，让后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用链表来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会储存在链表的下一个节点中。 HashMap在每个链表节点中储存键值对对象。当两个不同的键对象的hashcode相同时会发生什么？ 它们会储存在同一个bucket位置的链表中。键对象的equals()方法用来找到键值对。

1、HashMap和Hashtable的区别

HashMap和Hashtable都实现了Map接口，主要的区别有：线程安全性，同步(synchronization)，以及速度

​ 1、Hashtable继承自Dictionary类，而HashMap是Java1.2引进的Map interface的一个实现。

1. HashMap几乎可以等价于Hashtable，除了HashMap是非synchronized的，并可以接受null(HashMap可以接受为null的键值(key)和值(value)，而Hashtable则不行)。
2. HashMap是非synchronized，而Hashtable是synchronized，这意味着Hashtable是线程安全的，多个线程可以共享一个Hashtable；而如果没有正确的同步的话，多个线程是不能共享HashMap的。Java 5提供了ConcurrentHashMap，它是HashTable的替代，比HashTable的扩展性更好。
3. 另一个区别是HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。所以当有其它线程改变了HashMap的结构（增加或者移除元素），将会抛出ConcurrentModificationException，但迭代器本身的remove()方法移除元素则不会抛出ConcurrentModificationException异常。但这并不是一个一定发生的行为，要看JVM。这条同样也是Enumeration和Iterator的区别。
4. 由于Hashtable是线程安全的也是synchronized，所以在单线程环境下它比HashMap要慢。如果你不需要同步，只需要单一线程，那么使用HashMap性能要好过Hashtable。
5. HashMap不能保证随着时间的推移Map中的元素次序是不变的。

要注意的一些重要术语：

1. sychronized意味着在一次仅有一个线程能够更改Hashtable。就是说任何线程要更新Hashtable时要首先获得同步锁，其它线程要等到同步锁被释放之后才能再次获得同步锁更新Hashtable。
2. Fail-safe和iterator迭代器相关。如果某个集合对象创建了Iterator或者ListIterator，然后其它的线程试图“结构上”更改集合对象，将会抛出ConcurrentModificationException异常。但其它线程可以通过set()方法更改集合对象是允许的，因为这并没有从“结构上”更改集合。但是假如已经从结构上进行了更改，再调用set()方法，将会抛出IllegalArgumentException异常。
3. 结构上的更改指的是删除或者插入一个元素，这样会影响到map的结构。

我们能否让HashMap同步？

HashMap可以通过下面的语句进行同步：

Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap);

仅在你需要完全的线程安全的时候使用Hashtable，而如果你使用Java 5或以上的话，请使用ConcurrentHashMap吧。

HashMap和HashSet都是collection框架的一部分，它们让我们能够使用对象的集合。collection框架有自己的接口和实现，主要分为Set接口，List接口和Queue接口。Set的集合里不允许对象有重复的值，List允许有重复，它对集合中的对象进行索引，Queue的工作原理是FCFS算法(First Come, First Serve)。

2、HashMap和HashSet的区别

什么是HashSet 底层是HashMap实现的，看源码：

public HashSet() { map = new HashMap<>();  }

HashSet实现了Set接口，它不允许集合中有重复的值，当我们提到HashSet时，第一件事情就是在将对象存储在HashSet之前，要先确保对象重写equals()和hashCode()方法，这样才能比较对象的值是否相等，以确保set中没有储存相等的对象。如果我们没有重写这两个方法，将会使用这个方法的默认实现。

public boolean add(Object o)方法用来在Set中添加元素，当元素值重复时则会立即返回false，如果成功添加的话会返回true。

HashSet 就是HashMap的key列，HashSet 可以为空，HashMap的key和Value都可以为空

“你用过HashMap吗？” “什么是HashMap？你为什么用到它？”

几乎每个人都会回答“是的”，然后回答HashMap的一些特性，譬如HashMap可以接受null键值和值，而Hashtable则不能；HashMap是非synchronized;HashMap很快；以及HashMap储存的是键值对等等。这显示出你已经用过HashMap，而且对它相当的熟悉。但是面试官来个急转直下，从此刻开始问出一些刁钻的问题，关于HashMap的更多基础的细节。面试官可能会问出下面的问题：

“你知道HashMap的工作原理吗？” “你知道HashMap的get()方法的工作原理吗？”

你也许会回答“我没有详查标准的Java API，你可以看看Java源代码或者Open JDK。”“我可以用Google找到答案。”

但一些面试者可能可以给出答案，“HashMap是基于hashing的原理，我们使用put(key, value)存储对象到HashMap中，使用get(key)从HashMap中获取对象。当我们给put()方法传递键和值时，我们先对键调用hashCode()方法，返回的hashCode用于找到bucket位置来储存Entry对象。”这里关键点在于指出，HashMap是在bucket中储存键对象和值对象，作为Map.Entry。这一点有助于理解获取对象的逻辑。如果你没有意识到这一点，或者错误的认为仅仅只在bucket中存储值的话，你将不会回答如何从HashMap中获取对象的逻辑。这个答案相当的正确，也显示出面试者确实知道hashing以及HashMap的工作原理。但是这仅仅是故事的开始，当面试官加入一些Java程序员每天要碰到的实际场景的时候，错误的答案频现。下个问题可能是关于HashMap中的碰撞探测(collision detection)以及碰撞的解决方法：

“当两个对象的hashcode相同会发生什么？” 从这里开始，真正的困惑开始了，一些面试者会回答因为hashcode相同，所以两个对象是相等的，HashMap将会抛出异常，或者不会存储它们。然后面试官可能会提醒他们有equals()和hashCode()两个方法，并告诉他们两个对象就算hashcode相同，但是它们可能并不相等。一些面试者可能就此放弃，而另外一些还能继续挺进，他们回答“因为hashcode相同，所以它们的bucket位置相同，‘碰撞’会发生。因为HashMap使用链表存储对象，这个Entry(包含有键值对的Map.Entry对象)会存储在链表中。”这个答案非常的合理，虽然有很多种处理碰撞的方法，这种方法是最简单的，也正是HashMap的处理方法。但故事还没有完结，面试官会继续问：

“如果两个键的hashcode相同，你如何获取值对象？” 面试者会回答：当我们调用get()方法，HashMap会使用键对象的hashcode找到bucket位置，然后获取值对象。面试官提醒他如果有两个值对象储存在同一个bucket，他给出答案:将会遍历链表直到找到值对象。面试官会问因为你并没有值对象去比较，你是如何确定确定找到值对象的？除非面试者直到HashMap在链表中存储的是键值对，否则他们不可能回答出这一题。

其中一些记得这个重要知识点的面试者会说，找到bucket位置之后，会调用keys.equals()方法去找到链表中正确的节点，最终找到要找的值对象。完美的答案！

许多情况下，面试者会在这个环节中出错，因为他们混淆了hashCode()和equals()方法。因为在此之前hashCode()屡屡出现，而equals()方法仅仅在获取值对象的时候才出现。一些优秀的开发者会指出使用不可变的、声明作final的对象，并且采用合适的equals()和hashCode()方法的话，将会减少碰撞的发生，提高效率。不可变性使得能够缓存不同键的hashcode，这将提高整个获取对象的速度，使用String，Interger这样的wrapper类作为键是非常好的选择。

如果你认为到这里已经完结了，那么听到下面这个问题的时候，你会大吃一惊。**“如果HashMap的大小超过了负载因子(load factor)定义的容量，怎么办？”**除非你真正知道HashMap的工作原理，否则你将回答不出这道题。默认的负载因子大小为0.75，也就是说，当一个map填满了75%的bucket时候，和其它集合类(如ArrayList等)一样，将会创建原来HashMap大小的两倍的bucket数组，来重新调整map的大小，并将原来的对象放入新的bucket数组中。这个过程叫作rehashing，因为它调用hash方法找到新的bucket位置。

如果你能够回答这道问题，下面的问题来了：**“你了解重新调整HashMap大小存在什么问题吗？”**你可能回答不上来，这时面试官会提醒你当多线程的情况下，可能产生条件竞争(race condition)。

当重新调整HashMap大小的时候，确实存在条件竞争，因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来，因为移动到新的bucket位置的时候，HashMap并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，这是为了避免尾部遍历(tail traversing)。如果条件竞争发生了，那么就死循环了。这个时候，你可以质问面试官，为什么这么奇怪，要在多线程的环境下使用HashMap呢？：）

热心的读者贡献了更多的关于HashMap的问题：

1. 为什么String, Interger这样的wrapper类适合作为键？ String, Interger这样的wrapper类作为HashMap的键是再适合不过了，而且String最为常用。因为String是不可变的，也是final的，而且已经重写了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper类也有这个特点。不可变性是必要的，因为为了要计算hashCode()，就要防止键值改变，如果键值在放入时和获取时返回不同的hashcode的话，那么就不能从HashMap中找到你想要的对象。不可变性还有其他的优点如线程安全。如果你可以仅仅通过将某个field声明成final就能保证hashCode是不变的，那么请这么做吧。因为获取对象的时候要用到equals()和hashCode()方法，那么键对象正确的重写这两个方法是非常重要的。如果两个不相等的对象返回不同的hashcode的话，那么碰撞的几率就会小些，这样就能提高HashMap的性能。
2. 我们可以使用自定义的对象作为键吗？ 这是前一个问题的延伸。当然你可能使用任何对象作为键，只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定义规则，并且当对象插入到Map中之后将不会再改变了。如果这个自定义对象时不可变的，那么它已经满足了作为键的条件，因为当它创建之后就已经不能改变了。
3. **我们可以使用CocurrentHashMap来代替Hashtable吗？**这是另外一个很热门的面试题，因为ConcurrentHashMap越来越多人用了。我们知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因为它仅仅根据同步级别对map的一部分进行上锁。ConcurrentHashMap当然可以代替HashTable，但是HashTable提供更强的线程安全性。看看这篇博客查看Hashtable和ConcurrentHashMap的区别。

我个人很喜欢这个问题，因为这个问题的深度和广度，也不直接的涉及到不同的概念。让我们再来看看这些问题设计哪些知识点：

hashing的概念
HashMap中解决碰撞的方法
equals()和hashCode()的应用，以及它们在HashMap中的重要性
不可变对象的好处
HashMap多线程的条件竞争
重新调整HashMap的大小

二、HashMap与HashTable的区别：

1、 继承和实现区别

Hashtable是基于陈旧的Dictionary类，完成了Map接口；HashMap是Java 1.2引进的Map接口的一个实现（HashMap继承于AbstractMap,AbstractMap完成了Map接口）。

Hashtable: 源码：

public class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {

....

}

HashMap 源码：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
....

}

另外：HashSet 继承于AbstractSet

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
.....
}

2、 线程安全不同

HashTable的方法是同步的，HashMap是未同步，所以在多线程场合要手动同步HashMap。

3、 对null的处理不同

HashTable不允许null值(key和value都不可以),HashMap允许null值(key和value都可以)。即 HashTable不允许null值其实在编译期不会有任何的不一样，会照样执行，只是在运行期的时候Hashtable中设置的话回出现空指针异常。 HashMap允许null值是指可以有一个或多个键所对应的值为null。当get()方法返回null值时，即可以表示 HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。

因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键，而应该用containsKey()方法来判断。

4、 方法不同

HashTable有一个contains(Object value)，功能和containsValue(Object value)功能一样。

**5、HashTable使用Enumeration，HashMap使用Iterator。(网友看看：我很奇怪， 我用Iterator也可以遍历HashTable啊，参照：**HashTable的五种遍历方式

)

6、HashTable中hash数组默认大小是11，增加的方式是 old*2+1。HashMap中hash数组的默认大小是16，而且一定是2的指数。

7、哈希值的使用不同，HashTable直接使用对象的hashCode，代码是这样的：

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

而HashMap重新计算hash值，而且用与代替求模：

　int hash = hash(k);
　int i = indexFor(hash, table.length);
　 static int hash(Object x) {
　　int h = x.hashCode();
　　h += ~(h << 9);
　　h ^= (h >>> 14);
　　h += (h << 4);
　　h ^= (h >>> 10);
　　return h;
　　}
　　static int indexFor(int h, int length) {
　　return h & (length-1);
　　}

8:哈希值的计算方法不同，Hashtable直接使用的是对象的hashCode,而HashMap则是在对象的hashCode的基础上还进行了一些变化

源代码分析：

private transient HashMap<E,Object> map;  
private static final Object PRESENT = new Object();    
 public HashSet() {  
    map = new HashMap<E,Object>();  
    }

从上面的代码中得出的结论是HashSet的确是采用HashMap来实现的，而且每一个键都关键同一个Object类的对象，因此键所关联的值没有意义，真正有意义的是键。而HashMap里的键是不允许重复的，

三、HashMap和TreeMap区别

1、HashMap是基于散列表实现的，时间复杂度平均能达到O(1)。

TreeMap基于红黑树（一种自平衡二叉查找树）实现的，时间复杂度平均能达到O(log n)。
2、HashMap、TreeMap都继承AbstractMap抽象类；TreeMap实现SortedMap接口，所以TreeMap是有序的！HashMap是无序的。
接口层次：

public interface SortedMap<K,V> extends Map<K,V>
    public interface NavigableMap<K,V> extends SortedMap<K,V>
    public class HashMap<K,V>     extends AbstractMap<K,V>    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
    public class HashMap<K,V>    extends AbstractMap<K,V>    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

3、两种常规Map性能

HashMap：适用于在Map中插入、删除和定位元素。
Treemap：适用于按自然顺序或自定义顺序遍历键(key)。

4.总结：HashMap通常比TreeMap快一点(树和哈希表的数据结构使然)，建议多使用HashMap，在需要排序的Map时候才用TreeMap。

三、HashSet原理

HashSet实现Set接口，由哈希表（实际上是一个value永远为null的HashMap实例）支持。它不保证set 的迭代顺序；特别是它不保证该顺序恒久不变。此类允许使用null元素。

底层是HashMap，HashSet底层是采用HashMap实现的。HashSet 的实现比较简单，HashSet 的绝大部分方法都是通过调用 HashMap 的方法来实现的，因此 HashSet 和 HashMap 两个集合在实现本质上是相同的。

TeeSet是通过TreeMap实现的,只不过Set用的只是Map的key Map的key和Set都有一个共同的特性就是集合的唯一性.TreeMap更是多了一个排序的功能. hashCode和equal()是HashMap用的,因为无需排序所以只需要关注定位和唯一性即可.

a.hashCode是用来计算hash值的,hash值是用来确定hash表索引的.

b.hash表

• Map的key和Set都有一个共同的特性就是集合的唯一性.TreeMap更是多了一个排序的功能.

1. 1. 1. 1. hashCode和equal()是HashMap用的, 因为无需排序所以只需要关注定位和唯一性即可.
            a. hashCode是用来计算hash值的,hash值是用来确定hash表索引的.
            b. hash表中的一个索引处存放的是一张链表, 所以还要通过equal方法循环比较链上的每一个对象
            才可以真正定位到键值对应的Entry.
            c. put时,如果hash表中没定位到,就在链表前加一个Entry,如果定位到了,则更换Entry中的value,并返回旧value
2. 由于TreeMap需要排序,所以需要一个Comparator为键值进行大小比较.当然也是用Comparator定位的.
   a. Comparator可以在创建TreeMap时指定
   b. 如果创建时没有确定,那么就会使用key.compareTo()方法,这就要求key必须实现Comparable接口.
   c. TreeMap是使用Tree数据结构实现的,所以使用compare接口就可以完成定位了.

Set的实现类的集合对象中不能够有重复元素，HashSet也一样他是使用了一种标识来确定元素的不重复，HashSet用一种算法来保证HashSet中的元素是不重复的， HashSet采用哈希算法，底层用数组存储数据。默认初始化容量16，加载因子0.75

Object类中的hashCode()的方法是所有子类都会继承这个方法，这个方法会用Hash算法算出一个Hash（哈希）码值返回，HashSet会用Hash码值去和数组长度取模， 模（这个模就是对象要存放在数组中的位置）相同时才会判断数组中的元素和要加入的对象的内容是否相同，如果不同才会添加进去。
Hash算法是一种散列算法。

Set hs=new HashSet();
 
  hs.add(o);
     |
         o.hashCode();
     |
  o%当前总容量  (0--15)
     |             
     |                 不发生冲突
        是否发生冲突-----------------直接存放
     |
     | 发生冲突
     |                  假（不相等）
        o1.equals(o2)-------------------找一个空位添加
     |
     |  是（相等）
         不添加

​ 覆盖hashCode()方法的原则：

​ 1、一定要让那些我们认为相同的对象返回相同的hashCode值
​ 2、尽量让那些我们认为不同的对象返回不同的hashCode值，否则，就会增加冲突的概率。
​ 3、尽量的让hashCode值散列开（两值用异或运算可使结果的范围更广）

​ HashSet 的实现比较简单，相关HashSet的操作，基本上都是直接调用底层HashMap的相关方法来完成，我们应该为保存到HashSet中的对象覆盖hashCode()和equals()，因为再将对象加入到HashSet中时，会首先调用hashCode方法计算出对象的hash值，接着根据此hash值调用HashMap中的hash方法，得到的值& (length-1)得到该对象在hashMap的transient Entry[] table中的保存位置的索引，接着找到数组中该索引位置保存的对象，并调用equals方法比较这两个对象是否相等，如果相等则不添加，注意：所以要存入HashSet的集合对象中的自定义类必须覆盖hashCode(),equals()两个方法，才能保证集合中元素不重复。在覆盖equals()和hashCode()方法时， 要使相同对象的hashCode()方法返回相同值，覆盖equals()方法再判断其内容。为了保证效率，所以在覆盖hashCode()方法时， 也要尽量使不同对象尽量返回不同的Hash码值。

如果数组中的元素和要加入的对象的hashCode()返回了相同的Hash值（相同对象）,才会用equals()方法来判断两个对象的内容是否相同。

public class HashSet<E> extends AbstractSet<E>  implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable  
{  
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;  
  
    private transient HashMap<E,Object> map;  
  
    private static final Object PRESENT = new Object();  
  
    public HashSet() {  
        map = new HashMap<>();  
    }  
    public HashSet(Collection<? extends E> c) {  
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
        addAll(c);  
    }  
    public boolean add(E e) {  
        return map.put(e, PRESENT)==null;  
    }  
    public boolean remove(Object o) {  
        return map.remove(o)==PRESENT;  
    }  
    .......  
}

四、ConcurrentMap

ConcurrentHashMap 表现区别：不可以有null键，线程安全，原子操作。一个ConcurrentHashMap 由多个segment 组成，每个segment 包含一个Entity 的数组。这里比HashMap 多了一个segment 类。该类继承了ReentrantLock 类，所以本身是一个锁。当多线程对ConcurrentHashMap 操作时，不是完全锁住map， 而是锁住相应的segment 。这样提高了并发效率。缺点：当遍历ConcurrentMap中的元素时，需要获取所有的segment 的锁，使用遍历时慢。锁的增多，占用了系统的资源。使得对整个集合进行操作的一些方法

五、LinkedHashMap是HashMap的一个子类

LinkedHashMap保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的.也可以在构造时用带参数，按照应用次数排序。在遍历的时候会比HashMap慢，不过有种情况例外，当HashMap容量很大，实际数据较少时，遍历起来可能会比LinkedHashMap慢，因为LinkedHashMap的遍历速度只和实际数据有关，和容量无关，而HashMap的遍历速度和他的容量有关。

ConcurrentHashMap原理分析

六、java为数据结构中的映射定义了一个接口java.util.Map;它有四个实现类,分别是HashMap Hashtable LinkedHashMap 和TreeMap.

因为TreeSet 不能为空，但是HashSet可以为空，因为TreeSet需要排序，HashSet不需要,空的无法排序

参考：HashMap底层实现原理/HashMap与HashTable区别/HashMap与HashSet区别