Java基础——经常使用Map的实现细节

Java基础——Map

HashMap

1. 数据结构：

   数组 + 单链表

   transient Entry[] table; // 数组
    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    	final K key;
    	V value;
    	Entry<K,V> next;// 单链表，存储hash冲突的对象
    	final int hash;

2. hash桶的计算：

   首先把hash桶的个数适配到2的n次方

   int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;//把容量适配到2^n，方便后面的
   
    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = (int)(capacity * loadFactor);
    table = new Entry[capacity];

   hash桶的查找经过hashcode与(桶个数-1)进行按位与操做，至关于取模，可是效率要高。

   static int indexFor(int h, int length) {
    	return h & (length-1);
    }

   为何要把hashmap的容量适配到2的n次方呢？由于2^n-1正好各个位都是1，这样在按位与操做时其结果彻底取决于hashcode，只要hashcode算法得当，就可使得hash桶的数据分布比较均匀。若是容量不是2的n次方的话，就会出现0的位，会致使进行与操做后有些桶就一直放不进数据的状况。

   旋转hash：在原有hashcode的基础上再hash一次，充分利用高位进行计算，减小因低位相同的状况致使的hash碰撞。

   static int hash(int h) {
    	h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    	return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

3. 扩容：

   当数据量达到阀值(capacity * loadFactor)时，为了减小数据量增长带来的hash碰撞，须要对HashMap进行扩容。须要把全部的entry移动一次，代价较大，因此在能够预估容量的时候尽可能在初始化时指定容量。

   void transfer(Entry[] newTable) {
    	Entry[] src = table;
    	int newCapacity = newTable.length;
    	for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        	Entry<K,V> e = src[j];
        	if (e != null) {
            	src[j] = null;
            	do {
                	Entry<K,V> next = e.next;
                	int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                	e.next = newTable[i];
                	newTable[i] = e;
                	e = next;
            	} while (e != null);
        	}
    	}
    }

4. fail-fast:

   HashMap是非线程安全的集合，在进行HashMap遍历(HashIterator)操做时，若是map有修改操做，都会增长modCount的值，经过modCount与expectModCount进行比较，若是二者不相等，当即抛出ConcurrentModificationException。

LinkedHashMap

1. 数据结构：

   数组 ＋ 单链表 ＋ 双向链表

   LinkedHashMap是在HashMap的基础上添加了一个双向链表结构，来按必定的顺序维护里面的全部entry。

   Entry<K,V> before, after;//双向链表结构
    header = new Entry<K,V>(-1, null, null, null);
    header.before = header.after = header;

2. 顺序性：

   提供两种顺序方式来维护entry：

   按插入有序：Insertion-Ordered，全部entry按插入的顺序排序，读取的时候老是从最早插入的那个entry开始读取。

   按访问有序：Access-Ordered（全部entry从least-recently到most-recently再到header排列）。entry每次被访问都要调整它的顺序，从新放到header结点前面，这样一直不被访问的entry就离header愈来愈远。

   这是怎么作到的呢？LinkedHashMap的添加结点操做都是addBefore，并且每次都是在header结点以前进行插入（其实这里面的head结点是个尾结点）离尾结点最远的就是最老的结点（header.after指向），这是个逆向链，因此遍历的时候从header.after开始，就能取到按插入有序的数据。

   private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {        
        after  = existingEntry;
        before = existingEntry.before;
        before.after = this;
        after.before = this;
    }

   遍历操做，从header.after开始遍历。

   Entry<K,V> nextEntry    = header.after;
    Entry<K,V> nextEntry() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        if (nextEntry == header)
            throw new NoSuchElementException();
   
        Entry<K,V> e = lastReturned = nextEntry;
        nextEntry = e.after;
        return e;
    }

3. LRU

   LinkedHashMap自然支持LRU操做，即Access-Ordered，默认不开启。

   protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
    	return false;// 默认是返回false，咱们能够实现这个方法来支持LRU
    }

4. 其余

   非线程安全，fast-fail（同hashmap）

ConcurrentHashMap

1. ConcurrentHashMap采用了锁分离的技术来实现确保线程安全的状况下达到较好的性能。它把整个hash table分红好多个小的hash table（即Segment），每一个Segment都有本身的锁来保证线程安全，这样就使得各个Segment均可以独立地进行管理，而不须要争用锁。

2. 两个重要的结构：HashEntry和Segment

   HashEntry中，value被申明为volatile，这样保证了value的可见性，并发访问时不会出现脏数据。next被申请为final，保证了链表的中间和结尾部分都不会改变，进行读操做时就不须要加锁，这样能够提升并发性。

   final K key;
    final int hash;
    volatile V value;
    final HashEntry<K,V> next;
   
    // 下面这句是put操做的行为，也就是每次put都是往头节点前面插入新节点，不影响原来的链表结构。
    tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value);

   Segment继承了ReentrantLock，天生具备锁的功能，因此在put或remove操做时能够直接加锁使用。

3. 扩容(rehash)操做

   若是原hash桶的链表里的全部结点rehash值都同样，直接把链表链接到新桶上便可；

   不然就找到链表尾部相同rehash值的子链表，直接链接到新桶上（代码片断一），这样保证rehash到同一个桶的多个节点不会出现连接顺序反转的状况，也避免了像HashMap那样在高并发下rehash出现死循环的现象（http://coolshell.cn/articles/9606.html）。

   最后把当前子链表前面的那部分节点正常计算rehash并添加到新桶的位置（代码片断二）。

   // 代码片断一
    // Reuse trailing consecutive sequence at same slot
    HashEntry<K,V> lastRun = e;
    int lastIdx = idx;
    for (HashEntry<K,V> last = next;
    	last != null;
        last = last.next) {
        int k = last.hash & sizeMask;
        if (k != lastIdx) {
        	lastIdx = k;
            lastRun = last;
        }
    }
    newTable[lastIdx] = lastRun;

这里解释一下上面这行代码newTable[lastIdx] = lastRun, 刚开始在怀疑直接给新桶赋值的话会不会被后面的entry给覆盖掉？仔细想一想，彻底不必担忧这个。举个例子，segment(小hash表)容量从32扩充到64的状况，也就是容量从2^5=100000(掩码是：011111)扩充到2^6=1000000(掩码是：[1]11111)这个[]里的1就是扩充后新增的位，能够想象，在原容量下的entry，大部分都不会rehash到新桶里，只有[]指示的位是１的状况才会rehash到新桶里面，因此rehash操做移动链表上一半的元素到新桶里。另外，原容量下不一样桶里面的元素，rehash后也不会出如今相同的桶里面，其位置仍是取决于非[]指示的位置，跟原容量下的同样。因此上面这个操做能够直接连接过去，没必要担忧重复被覆盖的状况。

// 代码片断二
  	// Clone all remaining nodes
    for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) 		{
    	int k = p.hash & sizeMask;
        HashEntry<K,V> n = newTable[k];
        newTable[k] = new HashEntry<K,V>(p.key, p.hash, n, p.value);
	}

4. size()操做

   size操做会先尝试两次不加锁的状况下计算全部segment的size总数，若是两次计算的结果相等，说明size是正确的，直接返回这个结果。若是不相等，则全部segment加锁作一次计算。

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