1、HashMap

（1）底层结构是什么？

底层是数组+链表。当长度大于64并且链表长度大于8则链表变为红黑树。

（2）HashMap有哪些特点？

• 存取无序
• 键和值位置都可以是null，但是键位置只能有一个null
• 键位置是唯一的，底层的数据结构控制键的：索引值=（hashcode&（len-1））
• jdk1.8以前数据结构是：数组+链表，jdk1.8以后是：数组+链表+红黑树
• 链表元素大于8并且数组长度大于64，链表才会转换为红黑树，变为红黑树的目的是为了更高效的查阅。

（3）HashMap相关常量

• 默认大小是16，是在第一次put时创建数组。这里要求初始化的长度必须是2的n次方。

// 10000 = 2^4=16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

• 负载因子是0.75，也就是说使用了数组长度的四分之三，就会触发扩容。

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

• 当链表的长度大于8时，链表会转换为红黑树。

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

• 触发链表转变红黑树的另一个条件是数组的长度大于64。

static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

（4）hash值的计算

• HashMap底层使用何种算法来计算hash值？

底层采用的key的hashCode方法的值结合数组长度进行无符号右移(>>>)、按位异或(^)、按位与(&)计算出索引。

• 还有哪些算法可以计算hash值？

还可以采用:平方取中法，取余散，伪随机数法

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

（5）存放索引值的计算

index = (n - 1) & hash

这里的n是底层存储数组table的真实长度。

（6）历史故事

据java集合框架的创始人Josh Bloch描述，这样的写法是一个失误。在java集合框架中，类似这样的写法很多，最开始写java集合框架的时候，他认为这样写，在某些地方可能是有价值的，直到他意识到错了。显然的，JDK的维护者，后来不认为这个小小的失误值得去修改，所以就这样存在下来了。

（7）默认容量

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

底层存储的数组并不是在构造函数中创建的，而是在第一次put时创建数组。这里要求初始化的长度必须是2的n次方。

问题：为什么初始化容量必须是2的n次方？如果不是2的n次方会怎么样？

因为索引值的计算是使用hashcode&(length-1)，如果length是2的n次方，则length-1则会保障数据存储位置均匀。

static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

通过以上函数保障设置存储长度时，如果不是2的n次方，则保障长度向上增加到2的n次方。

2^0=1       =1
2^1=10      =2
2^2=100     =4
2^3=1000    =8
2^4=10000   =16
2^5=100000  =32


# 数组下标的计算
101010   = 42
 11111
----
1010 = 10

下面是测试代码：

public class HashMapApplication {

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("10=" + tableSizeFor(10));
        System.out.println("17=" + tableSizeFor(17));
        System.out.println("33=" + tableSizeFor(33));
    }
}

（9）什么时候链表会转红黑树？

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

两个条件，链表长度大于8，同时数组长度大于64，两个条件都满足链表才会转换为红黑树。

问题:为什么Map桶中节点个数超过8才转为红黑树?

根据概率统计**泊松分布**理论，索引出现的概率如下：

* 0:    0.60653066
* 1:    0.30326533
* 2:    0.07581633
* 3:    0.01263606
* 4:    0.00157952
* 5:    0.00015795
* 6:    0.00001316
* 7:    0.00000094
* 8:    0.00000006

（10）红黑树是否会转换为链表？

static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

当红黑树的元素数量小于6时，红黑树会再次转换为链表。

（11）存放数据的数组

transient Node<K,V>[] table;

（12）扩容机制

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

（13）验证hashmap初始化容量

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {

        //指定初始容量15来创建一个HashMap
        HashMap m = new HashMap(1);
        //获取HashMap整个类
        Class<?> mapType = m.getClass();
        //获取指定属性，也可以调用getDeclaredFields()方法获取属性数组
        Field threshold =  mapType.getDeclaredField("threshold");
        //将目标属性设置为可以访问
        threshold.setAccessible(true);
        //获取指定方法，因为HashMap没有容量这个属性，但是capacity方法会返回容量值
        Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
        //设置目标方法为可访问
        capacity.setAccessible(true);
        //打印刚初始化的HashMap的容量、阈值和元素数量
        System.out.println("容量："+capacity.invoke(m)+"    阈值："+threshold.get(m)+"    元素数量："+m.size());
    }