【短视频情感传话号项目，细分领域的赚钱门道】Java：从 Map 到 HashMap 的一步步实现！

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项目来源：
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短视频情感传话号项目，细分领域的赚钱门道【视频课程】
项目大纲：
1。抖音传话号底层逻辑
2。抖音传话号的具体操作
3。项目分析
4。总结和归纳
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一、 Map

1.1 Map 接口
在 Java 中, Map 提供了键——值的映射关系。映射不能包含重复的键,并且每个键只能映射到一个值。
以 Map 键——值映射为基础，java.util 提供了 HashMap（最常用）、 TreeMap、Hashtble、LinkedHashMap 等数据结构。
衍生的几种 Map 的主要特点：
HashMap：最常用的数据结构。键和值之间通过 Hash函数 来实现映射关系。当进行遍历的 key 是无序的
TreeMap：使用红黑树构建的数据结构，因为红黑树的原理，可以很自然的对 key 进行排序，所以 TreeMap 的 key 遍历时是默认按照自然顺序（升序）排列的。
LinkedHashMap: 保存了插入的顺序。遍历得到的记录是按照插入顺序的。
1.2 Hash 散列函数
Hash （散列函数）是把任意长度的输入通过散列算法变换成固定长度的输出。Hash 函数的返回值也称为 哈希值 哈希码 摘要或哈希。Hash作用如下图所示:

Hash 函数可以通过选取适当的函数，可以在时间和空间上取得较好平衡。
解决 Hash 的两种方式：拉链法和线性探测法

interface Entry<K,V>

在 HashMap 中基于链表的实现

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

用树的方式实现：

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }

1.4 Map 约定的 API
1.4.1 Map 中约定的基础 API
基础的增删改查：

int size();  // 返回大小
boolean isEmpty(); // 是否为空
boolean containsKey(Object key); // 是否包含某个键
boolean containsValue(Object value); // 是否包含某个值
V get(Object key); // 获取某个键对应的值 
V put(K key, V value); // 存入的数据 
V remove(Object key); // 移除某个键
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m); //将将另一个集插入该集合中
void clear();  // 清除
Set<K> keySet(); //获取 Map的所有的键返回为 Set集合
Collection<V> values(); //将所有的值返回为 Collection 集合
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet(); // 将键值对映射为 Map.Entry，内部类 Entry 实现了映射关系的实现。并且返回所有键值映射为 Set 集合。 
boolean equals(Object o); 
int hashCode(); // 返回 Hash 值
default boolean replace(K key, V oldValue, V newValue); // 替代操作
default V replace(K key, V value);

1.4.2 Map 约定的较为高级的 API

default V getOrDefault(Object key, V defaultValue); //当获取失败时，用 defaultValue 替代。

default void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action)  // 可用 lambda 表达式进行更快捷的遍历

default void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function); 

default V putIfAbsent(K key, V value);

default V computeIfAbsent(K key,
            Function<? super K, ? extends V> mappingFunction);

default V computeIfPresent(K key,
            BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction);

default V compute(K key,
            BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction)

default V merge(K key, V value,
            BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction)   

1.4.3 Map 高级 API 的使用
getOrDefault() 当这个通过 key获取值，对应的 key 或者值不存在时返回默认值，避免在使用过程中 null 出现，避免程序异常。
ForEach() 传入 BiConsumer 函数式接口，表达的含义其实和 Consumer 一样，都 accept 拥有方法，只是 BiConsumer 多了一个 andThen() 方法，接收一个BiConsumer接口，先执行本接口的，再执行传入的参数的 accept 方法。

      Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("a", "1");
        map.put("b", "2");
        map.put("c", "3");
        map.put("d", "4");
        map.forEach((k, v) -> {
            System.out.println(k+"-"+v);
        });
    }

1.5 从 Map 走向 HashMap
HashMap 是 Map的一个实现类，也是 Map 最常用的实现类。
1.5.1 HashMap 的继承关系

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

在 HashMap 的实现过程中，解决 Hash冲突的方法是拉链法。因此从原理来说 HashMap 的实现就是 数组 + 链表（数组保存链表的入口）。当链表过长，为了优化查询速率，HashMap 将链表转化为红黑树（数组保存树的根节点），使得查询速率为 log(n)，而不是链表的 O(n)。

二、HashMap
首先 HashMap 由 Doug Lea 和 Josh Bloch 两位大师的参与。同时 Java 的 Collections 集合体系，并发框架 Doug Lea 也做出了不少贡献。
2.1 基本原理
对于一个插入操作，首先将键通过 Hash 函数转化为数组的下标。若该数组为空，直接创建节点放入数组中。若该数组下标存在节点,即 Hash 冲突，使用拉链法，生成一个链表插入。

如果存在 Hash 冲突，使用拉链法插入，我们可以在这个链表的头部插入，也可以在链表的尾部插入，所以在 JDK 1.7 中使用了头部插入的方法，JDK 1.8 后续的版本中使用尾插法。
JDK 1.7 使用头部插入的可能依据是最近插入的数据是最常用的，但是头插法带来的问题之一，在多线程会链表的复制会出现死循环。所以 JDK 1.8 之后采用的尾部插入的方法。
在 HashMap 中，前面说到的 数组+链表 的数组的定义

transient Node<K,V>[] table;

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> 

public HashMap() { // 空参
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
    public HashMap(int initialCapacity) { //带有初始大小的，一般情况下，我们需要规划好 HashMap 使用的大小，因为对于一次扩容操作，代价是非常的大的
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor); // 可以自定义负载因子  public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor); // 可以自定义负载因子

三个构造函数，都没有完全的初始化 HashMap，当我们第一次插入数据时，才进行堆内存的分配，这样提高了代码的响应速度。
2.2 HashMap 中的 Hash函数定义

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); // 将 h 高 16 位和低 16 位 进行异或操作。
    }
// 采用 异或的原因：两个进行位运算，在与或异或中只有异或到的 0 和 1 的概率是相同的，而&和|都会使得结果偏向0或者1。

这里可以看到，Map 的键可以为 null，且 hash 是一个特定的值 0。
Hash 的目的是获取数组 table 的下标。Hash 函数的目标就是将数据均匀的分布在 table 中。
让我们先看看如何通过 hash 值得到对应的数组下标。第一种方法：hash%table.length()。但是除法操作在 CPU 中执行比加法、减法、乘法慢的多，效率低下。第二种方法 table[(table.length - 1) & hash] 一个与操作一个减法，仍然比除法快。这里的约束条件为 table.length = 2^N。
table.length =16
table.length -1 = 15 1111 1111
//任何一个数与之与操作，获取到这个数的低 8 位，其他位为 0

上面的例子可以让我们获取到对应的下标,而 (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16) 让高 16 也参与运算，让数据充分利用，一般情况下 table 的索引不会超过 216，所以高位的信息我们就直接抛弃了，^ (h >>> 16) 让我们在数据量较少的情况下，也可以使用高位的信息。如果 table 的索引超过 216， hashCode() 的高 16 为 和 16 个 0 做异或得到的 Hash 也是公平的。
2.3 HashMap 的插入操作
上面我们已经知道如果通过 Hash 获取到 对应的 table 下标，因此我们将对应的节点加入到链表就完成了一个 Map 的映射，的确 JDK1.7 中的 HashMap 实现就是这样。让我们看一看 JDK 为实现现实的 put 操作。
定位到 put() 操作。

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