JAVA学习：HashMap 和 ConcurrentHashMap

 一、最基本的HashMap 和 ConcurrentHashMap

1、HashMap的结构和底层原理：由数组和链表组成，数组里面每个地方都存了Key-Value这样的实例，在Java7叫Entry在Java8中叫Node

在JDK1.6，JDK1.7中，HashMap采用位桶+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，HashMap采用位桶+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

2、简单说下HashMap的实现原理：

首先有一个每个元素都是链表（可能表述不准确）的数组，当添加一个元素（key-value）时，就首先计算元素key的hash值，以此确定插入数组中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了，这时就添加到同一hash值的元素的后面，他们在数组的同一位置，但是形成了链表，同一各链表上的Hash值是相同的，所以说数组存放的是链表。而当链表长度太长时，链表就转换为红黑树，这样大大提高了查找的效率。

当链表数组的容量超过初始容量的0.75时，再散列将链表数组扩大2倍，把原链表数组的搬移到新的数组中

3、Hashmap在多线程环境下存在线程安全问题，那一般怎么处理这种情况：

（1）使用Collections.synchronizedMap(Map)创建线程安全的map集合；

（2）Hashtable

（3）ConcurrentHashMap（性能和效率都高于前者）

4、Collections.synchronizedMap(Map)是怎么实现线程安全的

synchronizedMap内部维护了一个普通对象map，还有排斥锁mutex，如图：

调用这个方法时需要传入一个Map,可以看到有两个构造器，如果你传入了mutex参数，则将对象排斥锁赋值为传入的对象。如果没有，则将对象排斥锁赋值给this,即调用synchronizedMap的对象，就是上面的Map。创建出synchronizedMap之后，再操作map的时候，就会对方法上锁，如图：

5、Hashtable与HashMap的区别

Hashtable对数据操作的时候都会上锁，因此效率比较低。

（1）实现方式不同：Hashtable继承了Dictionary类，而HashMap继承的是AbstractMap类。

Dictionary 是 JDK 1.0 添加的，貌似没人用过这个，我也没用过。

（2）初始化容量不同：HashMap 的初始容量为：16，Hashtable 初始容量为：11，两者的负载因子默认都是：0.75。

（3）扩容机制不同：当现有容量大于总容量 * 负载因子时，HashMap 扩容规则为当前容量翻倍，Hashtable 扩容规则为当前容量翻倍 + 1。

（4）迭代器不同：HashMap 中的 Iterator 迭代器是 fail-fast 的，而 Hashtable 的 Enumerator 不是 fail-fast 的。

6、fail-fast:

快速失败（fail—fast）是java集合中的一种机制， 在用迭代器遍历一个集合对象时，如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改（增加、删除、修改），则会抛出Concurrent Modification Exception。

原理：迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。

注：这里异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值，则异常不会抛出。因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的bug。

使用场景：java.util包下的集合类都是快速失败机制的, 不能在多线程下发生并发修改(迭代过程中被修改).

7、fail-safe

安全失败（fail—safe）：采用安全失败机制的集合容器,在遍历时不是直接在集合内容上访问的,而是先copy原有集合内容,在拷贝的集合上进行遍历.

原理：由于迭代时是对原集合的拷贝的值进行遍历,所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到,所以不会出发ConcurrentModificationException

缺点：基于拷贝内容的优点是避免了ConcurrentModificationException,但同样地, 迭代器并不能访问到修改后的内容 (简单来说就是, 迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝,在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的)

使用场景：java.util.concurrent包下的容器都是安全失败的,可以在多线程下并发使用,并发修改.

二、ConcurrentHashMap

1、ConcurrentHashMap使用分段锁技术，将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问能够实现真正的并发访问。如下图是ConcurrentHashMap的内部结构图：

从图中可以看到，ConcurrentHashMap内部分为很多个Segment，每一个Segment拥有一把锁，然后每个Segment（继承ReentrantLock）下面包含很多个HashEntry列表数组。对于一个key，需要经过三次（为什么要hash三次下文会详细讲解）hash操作，才能最终定位这个元素的位置，这三次hash分别为：

（1）对于一个key，先进行一次hash操作，得到hash值h1，也即h1 = hash1(key)；

（2）将得到的h1的高几位进行第二次hash，得到hash值h2，也即h2 = hash2(h1高几位)，通过h2能够确定该元素的放在哪个Segment；

（3）将得到的h1进行第三次hash，得到hash值h3，也即h3 = hash3(h1)，通过h3能够确定该元素放置在哪个HashEntry。

每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时，不会影响到其他的 Segment。就是说如果容量大小是16他的并发度就是16，可以同时允许16个线程操作16个Segment而且还是线程安全的。

2、注意事项

• ConcurrentHashMap中的key和value值都不能为null。
• ConcurrentHashMap的整个操作过程中大量使用了Unsafe类来获取Segment/HashEntry，这里Unsafe的主要作用是提供原子操作。Unsafe这个类比较恐怖，破坏力极强，一般场景不建议使用，如果有兴趣可以到这里做详细的了解Java中鲜为人知的特性
• ConcurrentHashMap是线程安全的类并不能保证使用了ConcurrentHashMap的操作都是线程安全的！

三、本文参考

链接：https://blog.csdn.net/qq_35190492/article/details/103589011