[Java8 Collection源码+算法+数据结构]-Map+Set(一)

本人大二学生党，最近研究JDK源码，顺便复习一下数据结构与算法的知识，所以就想写这些系列文章。这是[Java Collection源码+算法+数据结构]系列的第一篇，首先看一下Collection的所有架构：
[Java8 Collection源码+算法+数据结构]-Map+Set(一)
看到出来Map的地位是很重要的，所以先来研究一哈Map咯。

`Map`简介与基本用法

An object that maps keys to values. A map cannot contain duplicate keys; each key can map to at most one value.

说白了，Map就是键值对咯。而Map维护一个KeySet（没重复的值） Values （表面是一个Collection，也就是可以重复）EntrySet 三个对象。Map这个类里面有个Map.Entry的接口，实现这个接口，就表明需要维护上面3个对象。HashMap利用其内部类Node来存储键值对。

Map即其实现类的一些特性：

Map：对于所有实现Map的类，key不能重复，但value可以重复
HashMap：key,value可以为null（注意要满足Map所满足的条件，即只能有一个null的key）。同时采用Hash来存储数据。同时HashMap是线程不安全的。在JDK源码里面说，HashMap的get,put的时间复杂度为常量，也就是O(1)。
TreeMap：采用红黑树来存储每个信息，同时通过Comparator来进行排序。当Comparator定义了null的比较的时候，才可以添加null的key，否则报错。TreeMap是线程不安全的。由于TreeMap对数据要进行排序，所以牺牲了一些性能，get puts时间复杂度为O(log)，也就是树的高度。
LinkedHashMap：继承HashMap，拥有HashMap的性质，但是内部的bucket采用链表存储数据（什么是bucket下面会进行说明），所以插入，删除数据比较轻便，但查找就比较耗时间了，但是迭代访问还是快些。（拓展一哈：LinkedHashMap 的构造函数提供了accessOrder参数，true 表示按照insertion-order 插入顺序排序，false表示按照access-order，即LRU进行排序）

对于上面的线程安全要特别说明一哈：fast-fail是针对这种情况的，具体怎么地见下文。

Map使用这种方式遍历最快哦（参考文献）。

Map<String, String> map = ...
for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet())
{
    System.out.println(entry.getKey() + "/" + entry.getValue());
}

但是遍历删除元素只能有这个办法：

Iterator iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Map.Entry<Integer, Integer> item = (Map.Entry<Integer, Integer>) iterator.next();
if (item.getValue() > 30)
                iterator.remove();
        }

Then,看看Map的一些常见的用法：

    @Test
    public void testNormal() {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        System.out.println(map.put("1", "111")); //null
        System.out.println(map.putIfAbsent("1", "222")); //111 => 在覆盖的时候才会是原来的
        System.out.println(map.put("3", "333")); //null

        System.out.println(map.get("1")); //222
        System.out.println(map.get("4")); //null


        System.out.println(map.remove("3")); //333 => 有映射关系才会返回value
        System.out.println(map.remove("4")); //null
    }

我们总结一下Map接口里面的方法

put：如果该Map中没有该key对应的key-value映射关系时，建立key-value映射关系，并返回null；如果该Map中有了该key对应的key-value映射关系时，就会用现在的value替换原来的value，并返回原来的value。
get：如果该Map中没有该key对应的key-value映射关系时，返回null，否则返回key映射的value。
remove()：如果该Map中没有该key对应的key-value映射关系时，返回null，否则移除这个key-value映射，并返回value。
putIfAbsent：和put一样，就是有一点：如果该Map中有了该key对应的key-value映射关系时，不会进行替换操作，并且返回原来的value。源码见下：

default V putIfAbsent(K key, V value) {
        V v = get(key);
if (v == null) {
            v = put(key, value);
        }
return v;
    }

还有一些比较基本的用法：

     Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
map.put(1, 111);
map.put(2, 222);
map.put(3, 333);
map.put(4, 444);
map.put(5, 555);
map.compute(5, new BiFunction<Integer, Integer, Integer>() {
            @Override
public Integer apply(Integer key, Integer value) {
return key * value;
            }
        });
map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + " " + value));

上面的代码执行效果：

当改为这样的代码之后：

 map.compute(6, new BiFunction<Integer, Integer, Integer>() {
            @Override
public Integer apply(Integer key, Integer value) {
return key * value;
            }
        });

居然出错了：

java.lang.NullPointerException
    at MapTest$1.apply(MapTest.java:42)
    at MapTest$1.apply(MapTest.java:39)
    at java.util.HashMap.compute(HashMap.java:1188)
    at MapTest.testCompute(MapTest.java:39)

所以我们再看看 compute的源码：

default V compute(K key,BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        V oldValue = get(key);

        V newValue = remappingFunction.apply(key, oldValue);
if (newValue == null) {
// delete mapping
if (oldValue != null || containsKey(key)) {
// something to remove
                remove(key);  // 若BiFunction返回Null，就会把原来的key-value移除
return null;
            } else {
// nothing to do. Leave things as they were.
return null;
            }
        } else {
// add or replace old mapping
            put(key, newValue);
return newValue;
        }
    }

之后执行那行代码中，可以看到，在BiFunction里面的2个参数，就是compute的第一个参数对应的key-value的键值对，所以在执行key*value的时候就出错了，对于compute，它的用处是：对于一个存在的key-value进行计算，然后返回新的value值，替换原来的value。

还有最后一个小的用法：

    @Test
public void testMerge() {
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
map.put(1, 111);
map.put(2, 222);
map.put(3, 333);
map.put(4, 444);
map.put(5, 555);
//当key存在返回 1234 不存在就返回 key * value
map.merge(7, 1234, (key, value) -> key * value);
map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + " " + value));
    }

上面说的很清楚看看merge源码

default V merge(K key, V value,BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        Objects.requireNonNull(remappingFunction);
        Objects.requireNonNull(value);
        V oldValue = get(key);
        V newValue = (oldValue == null) ? value :
                   remappingFunction.apply(oldValue, value);
if(newValue == null) {
            remove(key); // 若BiFunction返回Null，就会把原来的key-value移除
        } else {
            put(key, newValue);
        }
return newValue;
    }

注意：remove(key); // 若BiFunction返回Null，就会把原来的key-value移除这行代码。

`HashMap`

这个算是本文的重点了。先上一个图（图片来源），等下要说：
[Java8 Collection源码+算法+数据结构]-Map+Set(一)

看下类声明：

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

可以看出，HashMap实现了Map接口，并且继承了AbstractMap。这个类大家可以自己看，没什么难度，就是比较繁琐。

其次我们了解HashMap的第一个成员变量：

private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

transient Node<K,V>[] table;
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
transient int size;
transient int modCount;

好吧，我承认，这个serialVersionUID和HashMap实现没有什么太大的关系，但是我们还是要说一哈，下面四个属性，就是用来存储HashMap的数据的。但是transient关键字就限制了这些变量不能被序列化，这可怎么办呢？别慌，有解决方案：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws IOException;
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws IOException,ClassNotFoundException;

这2个方法里面，就主动的将HashMap序列化啦。在writeObject里面会调用这个方法：

 // Called only from writeObject, to ensure compatible ordering.
void internalWriteEntries(java.io.ObjectOutputStream s) throws IOException {
        Node<K,V>[] tab;
if (size > 0 && (tab = table) != null) {
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                    s.writeObject(e.key);
                    s.writeObject(e.value);
                }
            }
        }
    }

也就说明，把Node的键值对都拆开去序列化。

下面第二个变量：

     /**
 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

/**
 * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
 * by either of the constructors with arguments.
 * MUST be a power of two <= 1<<30.
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY ：默认的bucket的默认容量，也就是HashMap里面的数组的默认的个数。
MAXIMUM_CAPACITY：能够存储数据的最大个数。
注意：MUST be a power of two.这是为啥？等下再说咯。。。。。

既然，HashMap是使用hash算法来的，那么我们先看看怎么实现的：

首先当我们put一个对象进去后，首先将key进行hash，然后再对这个hash进行掩码运算，将32位的hash值映射到一个个的bucket上；最后在这个bucket里面存放这个数据的value。
如果这个地方有存放其他对象了，也就是说明这2个对象的hash值相等，这里用链地址法来解决冲突。

put方法调用后，首先进行hash

public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length); //计算 hash & table.length - 1的交运算 => i为在数组的索引
//顺着一个Bucket遍历链表 然后把新的数据插到链表末段
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
//覆盖原来的值
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
return null;
    }

下面看看hash函数（其实这么多位运算我也不是很懂）hash算法产生的不是定长的int类型，但是和length - 1求并之后，会映射在数组之上，，所以会把这些数据存在一个length的数组之上：

final int hash(Object k) {
        int h = 0;
if (useAltHashing) {
if (k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
            }
            h = hashSeed;
        }

        h ^= k.hashCode();

// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

然后还有一个函数也是很重要的：

    /**
 * Returns index for hash code h.
 */
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
    }

在indexFor这个函数里面，计算hash与length - 1的交运算，正好就把hash映射在[0,length - 1)的所有空间之上，这是掩码的知识，可以看Mask，
由于length正好是2的n次幂，所有正好可以一一映射过去，即减少了hash地址的冲突。下面这个例子很好的说明了这一点（来源）：

当 length 总是 2 的倍数时，h & (length-1)将是一个非常巧妙的设计：假设 h=5,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 5；如果 h=6,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 6 ……如果 h=15,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 15；但是当 h=16 时 , length=16 时，那么 h & length - 1 将得到 0 了；当 h=17 时 , length=16 时，那么 h & length - 1 将得到 1 了……这样保证计算得到的索引值总是位于 table 数组的索引之内。
[Java8 Collection源码+算法+数据结构]-Map+Set(一)

扩容：

    /**
 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
 * The load factor used when none specified in constructor.
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

这2个属性用来控制HashMap的bucket的数量，当bucket的负载超过一个阈值时就会扩充，而这个阈值就是 capacity * loadFactor，下面我们看看怎么put的：

    /**
 * Adds a new entry with the specified key, value and hash code to
 * the specified bucket. It is the responsibility of this
 * method to resize the table if appropriate.
 *
 * Subclass overrides this to alter the behavior of put method.
 */
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//当数据容量大于阈值的时候，就resize
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

/**
 * Like addEntry except that this version is used when creating entries
 * as part of Map construction or "pseudo-construction" (cloning,
 * deserialization). This version needn't worry about resizing the table.
 *
 * Subclass overrides this to alter the behavior of HashMap(Map),
 * clone, and readObject.
 */
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

在上面可以看到threshold，而阈值的创建在构造函数和resize函数里面，当 threshold < capacity * loadFactor，就会把threshold与capacity扩大为原来的2倍。注意是扩大2倍哦。

threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);

那么怎么扩容呢？就是这样。。因为扩容相当的消耗时间，所以一个好的负载因子是非常重要的。为什么说消耗时间呢？因为如果rehash的话，就会重新计算Map所有的元素重新计算hash，然后重新插入到新的bucket里面去。

void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
boolean oldAltHashing = useAltHashing;
        useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() && (newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;
        transfer(newTable, rehash);
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

/**
 * Transfers all entries from current table to newTable.
 */
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;
            }
        }
    }

最后补充一点：在Java8里面，当一个bucket的数据太多（>= 6）的时候（也就是说很多元素的hash值都是一样的时候，链表就会变为红黑树）。

`fast-fail`机制

我们知道java.util.HashMap不是线程安全的，因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了 map，那么将抛出 ConcurrentModificationException，这就是所谓 fail-fast 策略。

这一策略在源码中的实现是通过 modCount 域，modCount 顾名思义就是修改次数，对 HashMap 内容（当然不仅仅是HashMap才会有，其他例如 ArrayList 也会）的修改都将增加这个值（大家可以再回头看一下其源码，在很多操作中都有 modCount++这句），那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的 expectedModCount。

HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            Node<K,V>[] t = table;
            current = next = null;
index = 0;
if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
                do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
            }
        }

if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();

在 HashMap的 API 中指出：

由所有 HashMap 类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的：在迭代器创建之后，如果从结构上对映射进行修改，除非通过迭代器本身的 remove 方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败，而不冒在将来不确定的时间发生任意不确定行为的风险。

注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。

`TreeMap`

个人感觉，既然了解Map，TreeMap还是很简单的。TreeMap采用红黑树来实现了树（所以内部实现了排序），可以调用下面一些方法：

public NavigableMap<K,V> subMap(K fromKey, boolean fromInclusive,K toKey,   boolean toInclusive)

public Set<K> keySet()

public NavigableSet<K> descendingKeySet()

public NavigableMap<K,V> headMap(K toKey, boolean inclusive)

public NavigableMap<K,V> tailMap(K fromKey, boolean inclusive)

public K firstKey()

public K lastKey()

`LinkedHashMap`

继承HashMap，拥有HashMap的性质，但是内部的bucket采用链表存储数据，所以插入，删除数据比较轻便，但查找就比较耗时间了，但是迭代访问还是快些。（拓展一哈：LinkedHashMap 的构造函数提供了accessOrder参数，true 表示按照insertion-order 插入顺序排序，false表示按照access-order，即LRU进行排序）
大家可以参考这里：http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-collection/linkedhashmap.html

`Set`

Set就是靠Map实现的，Set存储的是Map的key。Set的value用占位符来表示。

  // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();

Set也分了几种，HashSet,LinkedHashSet,TreeSet。对应上面的几种Map。对于 HashSet 中保存的对象，请注意正确重写其 equals 和 hashCode 方法，以保证放入的对象的唯一性。

邮箱：1906362072@qq.com

秒客网

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`HashMap`

`fast-fail`机制

`TreeMap`

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