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java HashMap 原理

原理

2023-03-02 11:23:55 时间

## 基于jdk 1.6 的HashMap ##

都知道HashMap 内部结构是数组+链表,但是一般正常插入很少会出现链表,因为hash 不同,这里模拟一下hash 相同的情况

参考: [http://www.importnew.com/28263.html][http_www.importnew.com_28263.html]  
参考: [https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/78996181][https_blog.csdn.net_v123411739_article_details_78996181]  
HashMap的wirteObject私有化 参考: [http://www.a-site.cn/article/140346.html][http_www.a-site.cn_article_140346.html]

hash 并发死循环 参考: [https://blog.csdn.net/bigtree\_3721/article/details/77123701][https_blog.csdn.net_bigtree_3721_article_details_77123701]

## **问题:** ##

### 1. HashMap 为什么将 wirteObject 和 readObject 方法,私有化 ###

\{@see ObjectOutputStream\} 的 writeObject 方法可看出,如果 其他类有自己的writeObject 方法,会调用的自己的writeObject 方法,wirteObject0 -> writeOrdinaryObject -> writeSerialData() 最后执行自己的writeObject 方法

### 2. 怎么才能让entry 中形成链表结构? ###

**只有两个key值不相等但hash 值相等,这样才能形成hash 碰撞,**才会在 Entry 中形成链表结构,因为是否添加新的键值对是根据key 的hash 值来判断的  
正常情况下, 如果table 表中的key值相等,则覆盖原value 值,如果不相等,则添加新的键值对  
如果key 值不相等,但是hash 值相等(table 中 索引是根据hash 值来计算的,如果hash 值 ),所以在添加key-value 时,会先查出table 表中原索引位置的key-value 值,然后用 Entry.next 纪录下这个值,这个时候链表就形成了

### 3. 形成链表时,链表中元素的顺序是怎样的 ###

jdk1.6,jdk1.7: 这个时候,新的键值会覆盖在entry 中的value 值上,而原来的值则会纪录在 entry.next 中,就形成了链表结构 (jdk 1.6 新值.next = 旧值.next = 最开始的值)  
jdk1.8: 与jdk 1.6 相反: 最开始的值.next = 新值.next = 最新值

### 4. 常见的基于hash 碰撞的攻击, ###

黑客短时间向某一个网站后台插入大量hash 值相同的数据,造成链表过长,取数据的时候,我们都知道链表增删快,查询慢,短时间插入大量数据,就会造成,网站后台运行缓慢,甚至宕机

**基于这个问题**:减少hash 相同值,严格使用泛型,确定Map的数据类型,为了增加查找效率,jdk 1.8 HashMap 底层实现由 数组+链表,转化为 数组+链表+红黑色 结构,当链表值大于8时,链表会被拆分为红黑色结构

## 模拟hash碰撞 ##

这里选择3个key值, String 1, char '1',int 49,这三个key 值得hash 都是 49, null 得hash 总是0,因此只能有一个null键,可以有多个null值, 当get()方法返回null值时，可能是 HashMap中没有该键，也可能使该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键， 而应该用containsKey()方法来判断。

/**
    	 * 计算map 的 key 的hash 
    	 * @param key
    	 * @return
    	 */
    	 static final int hash(Object key) {
    	        int h;
    	        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);// 可以看出如果map 有多个null, 这里返回的hash 则总是0
    	 }

HashMap中的添加key-value 的方法,基于jdk1.6

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++;
    	    }

测试hash 碰撞的例子,在debug 查看时,可以发现map 中有8个 数据,但hashMap 的table 属性中只有5个值,然后在点开具体的table项,可以发现被next关联的链表结构

package test.map;
    
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileNotFoundException;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.io.IOException;
    import java.io.ObjectInputStream;
    import java.io.ObjectOutputStream;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    
    /**
     * 基于jdk 1.6 的HashMap
     * 
     * 参考: http://www.importnew.com/28263.html
     * 参考: https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/78996181
     * HashMap的wirteObject私有化 参考: http://www.a-site.cn/article/140346.html
     * 
     * 1. HashMap 为什么将 wirteObject 和 readObject 方法,私有化
     * {@see ObjectOutputStream} 的 writeObject 方法可看出,如果 其他类有自己的writeObject 方法,会调用的自己的writeObject 方法,wirteObject0 -> writeOrdinaryObject -> writeSerialData() 最后执行自己的writeObject 方法
     * 
     * 2. 怎么才能让entry 中形成链表结构?
     * 只有两个key值不相等但hash 值相等,这样才能形成hash 碰撞,才会在 Entry 中形成链表结构,因为是否添加新的键值对是根据key 的hash 值来判断的
     * 正常情况下, 如果table 表中的key值相等,则覆盖原value 值,如果不相等,则添加新的键值对
     * 如果key 值不相等,但是hash 值相等(table 中 索引是根据hash 值来计算的,如果hash 值 ),所以在添加key-value 时,会先查出table 表中原索引位置的key-value 值,然后用 Entry.next 纪录下这个值,这个时候链表就形成了
     * 
     * 3. 形成链表时,链表中元素的顺序是怎样的
     * jdk1.6,jdk1.7: 这个时候,新的键值会覆盖在entry 中的value 值上,而原来的值则会纪录在 entry.next 中,就形成了链表结构 (jdk 1.6 新值.next = 旧值.next = 最开始的值)
     * jdk1.8: 与jdk 1.6 相反: 最开始的值.next = 新值.next = 最新值
     * 
     * @author 12198
     *
     */ 
    public class TestHashMap extends HashMap{
    	
    	
    	public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException {
    		String path = "D://hashMap.data";
    		HashMap map = (HashMap) getMap();
    		int hash = hash("3");
    //		System.out.println(hash);// hash 值是51
    		int indexFor = indexFor(hash, 8);
    //		System.out.println(indexFor);//算出索引
    //		map.put("3", "6");
    		System.out.println(map.size());
    //		System.out.println(hash("1"));//算出是49
    		hashBreak(map);
    	}
    	
    	
    	
    	/**
    	 * 模拟hash 碰撞
    	 * 只有两个key值不相等但hash 值相等,这样才能形成hash 碰撞,才会在 Entry 中形成链表结构,
    	 * 
    	 * '1' = 49
    	 * 这两者的hash值dous  49; hash('1') = hash(49);
    	 * 
    	 */
    	@SuppressWarnings("unchecked")
    	public static void hashBreak(@SuppressWarnings("rawtypes") HashMap hashMap) {
    		hashMap.put('1', "234");
    		hashMap.put(49, "234");
    		System.out.println(hashMap.size());
    		System.out.println(hashMap.toString());
    	}
    
    
    
    
    	private static Map getMap() {
    		HashMap<String,String> map = new HashMap<String, String>();
    		map.put("1", "2");
    		map.put(null, "8");
    		map.put("2", "8");
    		map.put("3", "8");
    		map.put("4", "8");
    		map.put("5", "8");
    //		String put = map.put("5", "9");
    //		System.out.println(put);
    //		System.out.println(map.get("5"));
    		return map;
    	}
    	
    	
    	
    	
    	//问题一,测试HashMap 的序列化 和 反序列化 =======================================
    	public static  void writeObject(Map map,String path) throws FileNotFoundException, IOException{
    		ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(path));
    		out.writeObject(map);
    		out.close();
    	}
    	
    	public static Map readObject(String path) throws FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException{
    		ObjectInputStream input = new ObjectInputStream(new FileInputStream(path));
    		Map map = (Map) input.readObject();
    		return map;
    	}
    	
    	
    	//测试 hashMap 的hash
    	/**
    	 * 计算map 的 key 的hash 
    	 * @param key
    	 * @return
    	 */
    	 static final int hash(Object key) {
    	        int h;
    	        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);// 可以看出如果map 有多个null, 这里返回的hash 则总是0
    	 }
    	 
    	 
    	 
    	
    
    }

## 基于jdk1.8 的HashMap ##

新增了红黑树结构(TreeNode extends LinkedHashMap.Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V>) 实际上还是继承的Entry 结构的Node 节点, 当某个链表长度大于8 的时候(见 HashMap.TREEIFY\_THRESHOLD 的注释)会扩容更改为TreeNode 结构,底层转换为 数组 + 链表 + 红黑树结构

/**
         * Implements Map.put and related methods
         *
         * @param hash hash for key
         * @param key the key
         * @param value the value to put
         * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
         * @param evict if false, the table is in creation mode.
         * @return previous value, or null if none
         */
        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;//如果是第一次put,则扩展map的容量
            if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                tab[i] = newNode(hash, key, value, null);//如果原始节点没有值,则直接 增加一个Node 节点 即可
            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) //如果 p 属于 TreeNode而不是 Node 则直接增加 TreeNode 节点
                    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 //查看TREEIFY_THRESHOLD 属性的注释得知, 当链表的长度最少要为8,才会执行下面的操作
                                treeifyBin(tab, hash);//扩容,将普通Node 节点 扩展为红黑树节点 ,调用replacementTreeNode 方法,
                            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;
        }

### treeNode 节点的继承关系,TreeNode extends LinkedHashMap.Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> ###

before, after 属性来源于 LinkedHashMap.Entry (双向链表,可以从两边开始查询)

/**
         * Entry for Tree bins. Extends LinkedHashMap.Entry (which in turn
         * extends Node) so can be used as extension of either regular or
         * linked node.
         */
        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);
            }

查找相同hash 值,在long范围内,传入long 的最大值 long l = 9223372036854775806L;在 Long 类型范围内查找 hash=49 的数值,可以查出40-50个以上,具体有多少,没等程序跑完

private static void findHash(long num) {
    //		Random random = new Random();
    		long i = 0;
    		while( i < num) {
    //			int nextInt = random.nextInt(num);
    			long nextInt = i;
    			long hash;
    			if((hash = (new Long(nextInt)).hashCode()) == 49) {
    				System.out.println("value="+ nextInt + ",hash = " + hash);
    			}
    //			System.out.println("value="+ nextInt + ",hash = " + hash);
    			i++;
    			
    		}
    	}

### get(key)方法分析 ###

public V get(Object key) {
    	        Node<K,V> e;
    	        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    	    }
    
    	
    	 final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    	        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    	        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
    	            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {//根据hash 算出对应node 数组张的索引,并判断是否是要寻找的值
    	            if (first.hash == hash && // always check first node
    	                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
    	                return first;
    	            if ((e = first.next) != null) {//继续寻找这个索引位置的链表中的下一个元素,如果不为null.进行下一步判断
    	                if (first instanceof TreeNode)// 判断下一个节点node 是否属于TreeNode节点, 如果是转化为TreeNode ,并得到这个节点,返回
    	                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);// 在 红黑树结构中,查找根节点,如果没找到,则以当前节点为根节点搜索,
    	                do {//如果是普通的 node 节点,则采用 do while 循环查找next 节点,直至找到被寻找的节点
    	                    if (e.hash == hash &&
    	                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
    	                        return e;
    	                } while ((e = e.next) != null);
    	            }
    	        }
    	        return null;
    	    }

## HashMap体系结构图 ##

![HashMap体系结构图][HashMap] HashMap 体系结构图

### 体系结构分析 ###

1.  Map 顶层接口 提供了 双列体系的类必须实现的方法
2.  HashMap 直接实现了Map,本身也是一个对外的hash映射类,实现Map 接口的方法,
3.  HashMap 通过实现Serializable 接口,提供了序列化支持,
4.  HashMap 通过实现Cloneable接口,并重写Object.clone()方法,实现对类对象的复制功能
5.  HashMap 继承AbstractMap,该抽象类实现了部分可重用的功能,只需对entrySet方法等少数方法提供实现,便可以最小化的方式实现Map 接口

[http_www.importnew.com_28263.html]: http://www.importnew.com/28263.html
[https_blog.csdn.net_v123411739_article_details_78996181]: https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/78996181
[http_www.a-site.cn_article_140346.html]: http://www.a-site.cn/article/140346.html
[https_blog.csdn.net_bigtree_3721_article_details_77123701]: https://blog.csdn.net/bigtree_3721/article/details/77123701
[HashMap]: /images/20220514/769c90fcca0d4227bf98891b1adeae3a.png

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