深入解析HashMap、ConcurrentHashMap丶HashTable丶ArrayList
Java集合类是个非常重要的知识点，HashMap、HashTable、ConcurrentHashMap等算是集合类中的重点，可谓“重中之重”，首先来看个问题，如面试官问你：HashMap和HashTable有什么区别，一个比较简单的回答是：
1、HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的。
2、HashMap的键和值都允许有null值存在，而HashTable则不行。
3、因为线程安全的问题，HashMap效率比HashTable的要高
能答出上面的三点，简单的面试，算是过了，但是如果再问：Java中的另一个线程安全的与HashMap极其类似的类是什么？同样是线程安全，它与HashTable在线程同步上有什么不同？能把第二个问题完整的答出来，说明你的基础算是不错的了。带着这个问题深入解HashMap和HashTable类应用而生
一、HashMap的内部存储结构
Java中数据存储方式最底层的两种结构，一种是数组，另一种就是链表，数组的特点：连续空间，寻址迅速，但是在删除或者添加元素的时候需要有较大幅度的移动，所以查询速度快，增删较慢。而链表正好相反，由于空间不连续，寻址困难，增删元素只需修改指针，所以查询慢、增删快。有没有一种数据结构来综合一下数组和链表，以便发挥他们各自的优势？答案是肯定的！就是：哈希表。哈希表具有较快（常量级）的查询速度，及相对较快的增删速度，所以很适合在海量数据的环境中使用。一般实现哈希表的方法采用“拉链法”，我们可以理解为“链表的数组”，如下图：
从上图中，我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。它的内部其实是用一个Entity数组来实现的，属性有key、value、next。接下来我会从初始化阶段详细的讲解HashMap的内部结构。
1、初始化
首先来看三个常量：
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; 初始容量：16
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1
<< 30; 最大容量：2的30次方：1073741824
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
装载因子，后面再说它的作用
来看个无参构造方法，也是我们最常用的：
[java] view plain copy
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
} - 1
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loadFactor、threshold的值在此处没有起到作用，不过他们在后面的扩容方面会用到，此处只需理解table=new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY].说明，默认就是开辟16个大小的空间。另外一个重要的构造方法：
ublic HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}- 1
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就是说传入参数的构造方法，我们把重点放在：while (capacity <
initialCapacity)
capacity <<= 1; - 1
- 2
上面，该代码的意思是，实际的开辟的空间要大于传入的第一个参数的值。举个例子：
new HashMap(7,0.8),loadFactor为0.8，capacity为7，通过上述代码后，capacity的值为：8.（1 << 2的结果是4,2 << 2的结果为8<此处感谢网友wego1234的指正>）。所以，最终capacity的值为8，最后通过new Entry[capacity]来创建大小为capacity的数组，所以，这种方法最红取决于capacity的大小。
2、put(Object key,Object value)操作
当调用put操作时，首先判断key是否为null，如下代码1处：
<p>public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}</p><p> modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}</p>- 1
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如果key是null，则调用如下代码：
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
} - 1
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就是说，获取Entry的第一个元素table[0]，并基于第一个元素的next属性开始遍历，直到找到key为null的Entry，将其value设置为新的value值。
如果没有找到key为null的元素，则调用如上述代码的addEntry(0, null, value, 0);增加一个新的entry，代码如下：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
} - 1
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先获取第一个元素table[bucketIndex],传给e对象，新建一个entry，key为null，value为传入的value值，next为获取的e对象。如果容量大于threshold，容量扩大2倍。
如果key不为null，这也是大多数的情况，重新看一下源码：
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());//---------------2---------------
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {//--------------3-----------
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}//-------------------4------------------
modCount++;//----------------5----------
addEntry(hash, key, value, i);-------------6-----------
return null;
} - 1
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看源码中2处，首先会进行key.hashCode()操作，获取key的哈希值，hashCode()是Object类的一个方法，为本地方法，内部实现比较复杂，我们
会在后面作单独的关于Java中Native方法的分析中介绍。hash()的源码如下
static int hash(int h) {
// 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);
} - 1
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int i = indexFor(hash, table.length);的意思，相当于int i = hash % Entry[].length;得到i后，就是在Entry数组中的位置，（上述代码5和6处是如果Entry数组中不存在新要增加的元素，则执行5,6处的代码，如果存在，即Hash冲突，则执行 3-4处的代码，此处HashMap中采用链地址法解决Hash冲突。此处经网友bbycszh指正，发现上述陈述有些问题）。重新解释：其实不管Entry数组中i位置有无元素，都会去执行5-6处的代码，如果没有，则直接新增，如果有，则将新元素设置为Entry[0]，其next指针指向原有对象，即原有对象为Entry[1]。具体方法可以解释为下面的这段文字：（3-4处的代码只是检查在索引为i的这条链上有没有key重复的，有则替换且返回原值，程序不再去执行5-6处的代码，无则无处理）
上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。如， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的i=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其i也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,i也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现i=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起,也就是说数组中存储的是最后插入的元素。
到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现，这里也说一下。比如：Entry[]的长度一定后，随着map里面数据的越来越长，这样同一个i的链就会很长，会不会影响性能？HashMap里面设置一个因素（也称为因子），随着map的size越来越大，Entry[]会以一定的规则加长长度。
2、get(Object key)操作
get(Object key)操作时根据键来获取值，如果了解了put操作，get操作容易理解，先来看看源码的实现：
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))//-------------------1----------------
return e.value;
}
return null;
} - 1
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意思就是：1、当key为null时，调用getForNullKey()，源码如下：
private V getForNullKey() {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
} - 1
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当key不为null时，先根据hash函数得到hash值，在更具indexFor()得到i的值，循环遍历链表，如果有：key值等于已存在的key值，则返回其value。如上述get()代码1处判断。
总结下HashMap新增put和获取get操作：
//存储时:
int hash = key.hashCode();
int i = hash % Entry[].length;
Entry[i] = value;
//取值时:
int hash = key.hashCode();
int i = hash % Entry[].length;
return Entry[i];
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理解了就比较简单。
此处附一个简单的HashMap小算法应用：
package com.xtfggef.hashmap;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
/**
* 打印在数组中出现n/2以上的元素
* 利用一个HashMap来存放数组元素及出现的次数
* @author erqing
*
*/
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
int [] a = {2,3,2,2,1,4,2,2,2,7,9,6,2,2,3,1,0};
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer,Integer>();
for(int i=0; i<a.length; i++){
if(map.containsKey(a[i])){
int tmp = map.get(a[i]);
tmp+=1;
map.put(a[i], tmp);
}else{
map.put(a[i], 1);
}
}
Set<Integer> set = map.keySet();//------------1------------
for (Integer s : set) {
if(map.get(s)>=a.length/2){
System.out.println(s);
}
}//--------------2---------------
}
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此处注意两个地方，map.containsKey()，
理解了HashMap的上面的操作，其它的大多数方法都很容易理解了。搞清楚它的内部存储机制，一切OK！
二、HashTable的内部存储结构
HashTable和HashMap采用相同的存储机制，二者的实现基本一致，不同的是：
1、HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的，内部的方法基本都是synchronized。
2、HashTable不允许有null值的存在。
在HashTable中调用put方法时，如果key为null，直接抛出NullPointerException。其它细微的差别还有，比如初始化Entry数组的大小等等，但基本思想和HashMap一样。
三、HashTable和ConcurrentHashMap的比较
如我开篇所说一样，ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap的实现。同样是线程安全的类，它与HashTable在同步方面有什么不同呢？
之前我们说，synchronized关键字加锁的原理，其实是对对象加锁，不论你是在方法前加synchronized还是语句块前加，锁住的都是对象整体，但是ConcurrentHashMap的同步机制和这个不同，它不是加synchronized关键字，而是基于lock操作的，这样的目的是保证同步的时候，锁住的不是整个对象。事实上，ConcurrentHashMap可以满足concurrentLevel个线程并发无阻塞的操作集合对象。关于concurrentLevel稍后介绍。
1、构造方法
为了容易理解，我们先从构造函数说起。ConcurrentHashMap是基于一个叫Segment数组的，其实和Entry类似，如下：
public ConcurrentHashMap()
{
this(16, 0.75F, 16);
} - 1
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默认传入值16，调用下面的方法：
public ConcurrentHashMap(int paramInt1, float paramFloat, int paramInt2)
{
if ((paramFloat <= 0F) || (paramInt1 < 0) || (paramInt2 <= 0))
throw new IllegalArgumentException();
if (paramInt2 > 65536) {
paramInt2 = 65536;
}
int i = 0;
int j = 1;
while (j < paramInt2) {
++i;
j <<= 1;
}
this.segmentShift = (32 - i);
this.segmentMask = (j - 1);
this.segments = Segment.newArray(j);
if (paramInt1 > 1073741824)
paramInt1 = 1073741824;
int k = paramInt1 / j;
if (k * j < paramInt1)
++k;
int l = 1;
while (l < k)
l <<= 1;
for (int i1 = 0; i1 < this.segments.length; ++i1)
this.segments[i1] = new Segment(l, paramFloat);
} - 1
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你会发现比HashMap的构造函数多一个参数，paramInt1就是我们之前谈过的initialCapacity，就是数组的初始化大小，paramfloat为loadFactor（装载因子），而paramInt2则是我们所要说的concurrentLevel，这三个值分别被初始化为16,0.75,16，经过：
while (j < paramInt2) {
++i;
j <<= 1;
} - 1
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后，j就是我们最终要开辟的数组的size值，当paramInt1为16时，计算出来的size值就是16.通过：
this.segments = Segment.newArray(j)后，我们看出了，最终稿创建的Segment数组的大小为16.最终创建Segment对象时：
this.segments[i1] = new Segment(cap, paramFloat); - 1
需要cap值，而cap值来源于：
int k = paramInt1 / j;
if (k * j < paramInt1)
++k;
int cap = 1;
while (cap < k)
cap <<= 1; - 1
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public V put(K paramK, V paramV)
{
if (paramV == null)
throw new NullPointerException();
int i = hash(paramK.hashCode());
return segmentFor(i).put(paramK, i, paramV, false);
} - 1
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与HashMap不同的是，如果key为null，直接抛出NullPointer异常，之后，同样先计算hashCode的值，再计算hash值，不过此处hash函数和HashMap中的不一样：
private static int hash(int paramInt)
{
paramInt += (paramInt << 15 ^ 0xFFFFCD7D);
paramInt ^= paramInt >>> 10;
paramInt += (paramInt << 3);
paramInt ^= paramInt >>> 6;
paramInt += (paramInt << 2) + (paramInt << 14);
return (paramInt ^ paramInt >>> 16);
}
[java] view plain copy
final Segment<K, V> segmentFor(int paramInt)
{
return this.segments[(paramInt >>> this.segmentShift & this.segmentMask)];
} - 1
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根据上述代码找到Segment对象后，调用put来操作：
V put(K paramK, int paramInt, V paramV, boolean paramBoolean)
{
lock();
try {
Object localObject1;
Object localObject2;
int i = this.count;
if (i++ > this.threshold)
rehash();
ConcurrentHashMap.HashEntry[] arrayOfHashEntry = this.table;
int j = paramInt & arrayOfHashEntry.length - 1;
ConcurrentHashMap.HashEntry localHashEntry1 = arrayOfHashEntry[j];
ConcurrentHashMap.HashEntry localHashEntry2 = localHashEntry1;
while ((localHashEntry2 != null) && (((localHashEntry2.hash != paramInt) || (!(paramK.equals(localHashEntry2.key)))))) {
localHashEntry2 = localHashEntry2.next;
}
if (localHashEntry2 != null) {
localObject1 = localHashEntry2.value;
if (!(paramBoolean))
localHashEntry2.value = paramV;
}
else {
localObject1 = null;
this.modCount += 1;
arrayOfHashEntry[j] = new ConcurrentHashMap.HashEntry(paramK, paramInt, localHashEntry1, paramV);
this.count = i;
}
return localObject1;
} finally {
unlock();
}
}
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先调用lock()，lock是ReentrantLock类的一个方法，用当前存储的个数+1来和threshold比较，如果大于threshold，则进行rehash，将当前的容量扩大2倍，重新进行hash。之后对hash的值和数组大小-1进行按位于操作后，得到当前的key需要放入的位置，从这儿开始，和HashMap一样。
从上述的分析看出，ConcurrentHashMap基于concurrentLevel划分出了多个Segment来对key-value进行存储，从而避免每次锁定整个数组，在默认的情况下，允许16个线程并发无阻塞的操作集合对象，尽可能地减少并发时的阻塞现象。
在多线程的环境中，相对于HashTable，ConcurrentHashMap会带来很大的性能提升！
ArrayList工作原理
ArrayList工作原理其实很简单，底层是动态数组，每次创建一个ArrayList实例时会分配一个初始容量（如果指定了初始容量的话），以add方法为例，如果没有指定初始容量，当执行add方法，先判断当前数组是否为空，如果为空则给保存对象的数组分配一个最小容量，这里为10。当添加大容量元素额时候，会先增加数组的大小，以提高添加的效率。
把ArrayList理解为一个数组就好了 先看看增大容量的方法
privatevoidgrow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
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当调用add方法的时候，如果ArrayList判断出需要扩容就会调用grow自动为其增加容量。以上黄色部分为扩容量大小，不难看出每次以1.5倍的速度在扩充。我们来总结一下ArrayList的扩充步骤
1)，判断是否需要扩充
2)，计算新容量大小，扩充1.5倍（这里有个实现小细节，是通过移位而不是*1.5来实现的，编程技巧，从点滴学起）
3)，拷贝以前的数组到新的数组；
通过以上分析我们可以看到，所谓的自动增长并不是毫无代价的，特别是当数据量大的时候，频繁扩容会导致大量数组拷贝，进而影响性能。建议:在使用时尽可能的给一个合理的初始值。
add方法
add方法重载了多个实现，包括add(E e)和add(int index,E e)，由于没有指定插入的位置，每次插入操作会把元素放到数组的末尾，而这个过程只需要保证容量够用就行，先来看看add(E e)方法：
public boolean add(E e) {
//保证数组的容量始终够用
ensureCapacityInternal(size + 1);
//size是elementData数组中元组的个数，初始为0
elementData[size++] = e;
return true;
}
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
//如果数组没有元素，给数组一个默认大小，会选择实例化时的值与默认大小中较大值
if (elementData == EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
//保证容量够用
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
//modCount是数组发生size更改的次数
modCount++;
// 如果数组长度小于默认的容量10，则调用扩大数组大小的方法
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
下面看看add(int index,E e):
public void add(int index, E element) {
//判断index的值是否合法，如果大于size或者小于0则将抛出异常
rangeCheckForAdd(index);
//保证容量够用，并修改modCount的值
ensureCapacityInternal(size + 1);
//从第index位置开始，将元素往后移动一个位置
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
//把要插入的元素e放在第index位置
elementData[index] = element;
//数组元素的个数增加1
size++;
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get方法
get方法最简单，首先判断该位置是否合法，如果合法则直接返回该位置的元素
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
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remove方法
由于删除操作会改变size，所以每次删除都需要把元素向前移动一个位置，然后把原来最后一个位置的元素设置为null，一次删除操作完成。下面看看源码
public E remove(int index) {
//判断index是否合法
rangeCheck(index);
//remove操作会改变size，所以modCount加1
modCount++;
//保存待删除位置的元素
E oldValue = elementData(index);
//要移动的元素个数
int numMoved = size - index - 1;
//如果index不是最后一个元素，则从第index+1到最后一个位置，依次向前移动一个位置
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
//元素的size减少1，并把原来末尾位置元素的值设置为null
elementData[--size] = null;
//返回index位置的值
return oldValue;
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可以注意到源码调用了System.arraycopy方法，该方法是native的，即该代码是其他语言编写，但Java允许与其进行交互（详情请搜索JNI），那么该方法是如何让实现的呢？
//add方法的System.arraycopy()
//把从第i位置的元素开始到最后一个元素，都往后移动一个位置
for(int j = size - 1; j > i; j--){
elements[j] = elements[j-1];
}
//把第i位置的值改为e
elements[i] = e;
//remove方法的System.arraycopy()方法
//把从第i位置到最后一个位置，都向前移动一个位置
for (int j = i; j < size - 1; j++) {
elements[j] = elements[j + 1];
}
//把数组的元素个数减少1
elements[--size] = null;- 1
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ArrayList小结
ArrayList是基于数组实现的，是一个动态数组，其容量能够自动增长 ArrayList不是线程安全的，只能用在单线程环境下，多线程环境需要使用Collections同步方法。Collections.synchronizedList(List l)返回一个线程安全的ArrayList。如果是读写比例比较大的话，则可以考虑CopyOnwriteArrayList。
默认容量是10
ArrayList每次增加元素的时候，都需要调用ensureCapacity方法来确保足够的容量。当容量不足的时候，就设置新的容量为旧的的容量的1.5倍加1，如果设置的容量仍然不够，那么直接设置为传入的参数，而后用Arrays.copyOf方法将元素拷贝到新的数组。建议：在能够实现确定元素数量的情况下使用ArrayList，否则使用LinkedList。
Arrays.copy()方法在方法的内部又创建了一个长度等长的数组，调用System.arraycopy方法完成新数组元素的复制。该方法的实际上调用native方法中C的memmove函数，在复制大数组的时候强烈建议使用该方法进行数组的复制。效率高。
ArrayList是基于数组实现的，支持随机访问，查找效率高，但是插入删除效率低。
ArrayList一般应用于查询较多但插入以及删除较少情况，如果插入以及从删除较多则建议使用LinkedList