Move 44 article to markdown format

lessons/java-core/044/Implementation of Map and Set.md

@@ -0,0 +1,159 @@
+# Map. Внутреннее устройство реализаций
+
+В рамках данного урока мы разберем, как реализованы три основные _Map_’ы, доступные в
+рамках `java.util`: `HashMap`, `LinkedHashMap` и `TreeMap`.
+
+С `HashMap` постараемся разобраться подробнее, с остальными – в общих чертах. Связано это с тем, что именно вопрос о
+внутреннем устройстве `HashMap` можно встретить на большинстве собеседований для Java-разработчиков. Особенно для junior
+и middle позиций.
+
+Кроме того, затронем основные реализации _Set_’ов – ведь они работают именно на базе `Map`.
+
+## HashMap
+
+Несмотря на то, что вопрос популярен и, в сущности, не слишком сложен (по крайней мере, в тех рамках, в которых ожидают
+владение им от джуна), многие кандидаты валятся именно на нем. Почему – большой-большой секрет.
+
+Данный пункт представлен как краткое описание внутренней структуры коллекции от меня и две сторонние статьи, подходящие
+к описанию реализации `HashMap` с разных сторон.
+
+Итак, `HashMap` как структура данных представляет собой массив **бакетов** (от англ. _bucket_ – ведро). Также можно
+иногда услышать о **корзинах** или **нодах** (от англ. – _Node_) – это все о том же, но последний термин я не
+рекомендую. Чуть ниже станет понятна причина.
+
+Каждый бакет является объектом вложенного класса `Node` или его наследника – `TreeNode`. По крайней мере, если речь идет
+именно о `HashMap`.
+
+В свою очередь, каждый бакет (каждый объект `Node` в массиве), является точкой входа в одну из структур данных –
+_односвязный список_ (если элементов меньше 8), либо _красно-черное дерево_ (если элементов 8 и более). RB-tree
+актуально только начиная с Java 8. В более старых версиях – только односвязный список.
+
+Интересный факт. Бакет превращается из односвязного списка в дерево при добавлении в него 8го элемента (можете обратить
+внимание на метод `treeifyBin()`). Но в дальнейшем такой бакет может вновь превратиться в односвязный список
+(метод `untreeify()`) при выполнении ряда условий, где обязательным но недостаточным будет наличие в бакете лишь 6 или
+менее элементов. Т.е., теоретически, можно встретить бакет из 7 элементов, представленный в виде дерева.
+
+Для отсутствия путаницы, предлагаю бакетом считать структуру данных целиком (список или дерево), а нодами – элементы
+этих структур. К тому же, бакет (как элемент массива бакетов) может быть `null`. Нода в нем будет создана лишь при
+добавлении первого значения.
+
+В таком случае, `HashMap` можно описать как массив бакетов – массив, каждый элемент которого является односвязным
+списком или красно-черным деревом. При этом с точки зрения кодовой базы, массив содержит только ноды вершин (и/или
+корней) соответствующих структур.
+
+По умолчанию, в `HashMap` создается 16 бакетов (если в конструкторе явно не указан параметр `capacity`). В течении жизни
+объекта это число может быть увеличено, в зависимости от размера коллекции, точнее, в зависимости от значения
+поля `threshold`.
+
+Определение значения `threshold`, какую роль в этом играет `loadFactor` и как это все отражается на числе бакетов в
+мапе – несложная, но отдельная тема, которая поверхностно будет затронута в рамках одной из статей ниже. Пока лишь
+скажу, что если объект `HashMap` был создан конструктором по умолчанию – количество бакетов (размер массива бакетов)
+будет как минимум на четверть превышать количество элементов в мапе до тех пор, пока число бакетов не достигнет
+максимального – 2³°.
+
+Таким образом, добавление новой пары «ключ-значение» в `HashMap` сводится к:
+
+1. Определению ее бакета на основании хэш-функции, которая работает на основании хэш-кода ключа. Подробнее – см.
+   метод `hash()` в `HashMap`;
+2. Последующему добавлению ноды в рамках бакета или изменению значения существующей, если ключ равен по `equals()`
+   какому-то из ключей уже существующих нод в этом бакете.
+
+Вместе с этим бакет может быть превращен из списка в дерево, если добавляемая нода – 8-я в рамках этого бакета. А размер
+массива бакетов может быть увеличен, если, с учетом нового значения, размер мапы превысил значение `threshold`.
+
+Получение же значения по ключу, в свою очередь, сводится к:
+
+1. Нахождению бакета на основании хэш-функции (снова `hash()`);
+2. Поиску нужной ноды по `equals()`, если бакет не пуст.
+3. Если подходящая нода найдена – будет возвращено значение, которое в ней хранится. В противном случае вернется `null`.
+
+> !NB: если объект ключа был изменен после вызова `put()` – операция `get()` по этому же ключу ничего не найдет.
+> В целом, не рекомендую использовать мьютабельные объекты в качестве ключа.
+
+К слову, именно вышеописанная логика является классическим объяснением важности соблюдения 
+**контракта equals-hashcode**. Ведь некорректно определенные `hashcode()` и/или `equals()` приведут к 
+некорректной работе вышеописанной логики, начиная от ухудшения эффективности HashMap, заканчивая полной 
+неработоспособностью данной коллекции для конкретного типа ключей.
+
+Теперь, как и обещал, две статьи. Рекомендую изучить обе.
+
+- [Первая](https://habr.com/ru/post/421179/). Более подробное объяснение с картинками, примерами и фрагментами кода. 
+  На мой взгляд, очень хорошая для новичков
+- [Вторая](https://habr.com/ru/post/128017/). Очень интересная статья, с более глубоким погружением в кодовую базу и с
+  достаточно любопытными замерами для разных операций, рекомендую смотреть после изучения предыдущей
+
+Единственный серьезный недостаток второй статьи – она была написана до выхода Java 8 и, соответственно, не учитывает
+добавленную возможность превращения списка нод в RB-tree. В остальном, она все еще достаточно актуальна.
+
+## LinkedHashMap
+
+`LinkedHashMap`, являясь прямым наследником `HashMap`, почти не отличается от предка в плане устройства. Единственным
+важным нюансом является собственный потомок класса `HashMap.Node` – вложенный класс `Entry`, имеющий два новых поля –
+_before_ и _after_ – для хранения ссылок на следующий и предыдущий элементы, на основании которых и достигается
+сохранение порядка элементов. Первый и последний элементы мапы (в порядке добавления) хранятся в полях `LinkedHashMap` –
+_head_ и _tail_ соответственно.
+
+Весь остальной код `LinkedHashMap` так или иначе связан с тем, чтобы учесть и использовать вышеописанную надстройку
+на `HashMap`, не дублируя описание логики самой `HashMap`. В целом, я склонен считать этот класс очень хорошим примером
+наследования. По крайней мере, если не касаться вложенных классов в _(Linked)HashMap_ и их иерархии.
+
+Интересный факт: если вы смотрели исходный код `HashMap`, то могли заметить, что `HashMap.TreeNode` наследуется именно
+от `LinkedHashMap.Entry`, что позволяет не дублировать подобный вложенный класс в самой `LinkedHashMap`.
+
+## TreeMap
+
+Данная реализация, как вы помните, не имеет отношения к рассмотренным выше. Она является полностью самостоятельной и
+реализует собой красно-черное дерево.
+
+Но поскольку реализация стандартных операций (`put()`, `remove()` и `get()`) сводится к реализации операций RB-tree
+(вставка, удаление и поиск соответственно) и не представляет особого интереса (то, что вы увидите в исходном коде этой
+коллекции не будет кардинально отличаться от описания алгоритма операций с бинарным деревом поиска на условной
+Википедии), я предлагаю более подробно изучить то, как реализована перекраска (и балансировка) дерева в `TreeMap` при
+вставке и удалении элементов. По крайней мере, эти алгоритмы сложнее, чем вставка, удаление и поиск сами по себе.
+
+Перекраска и балансировка тоже мало чем отличаются от своих описаний в любой статье об RB-tree, но это лаконичная и
+понятная реализация данных операций. Оборачиваясь назад, мне этот код дал намного больше для понимания данных операций в
+красно-черном дереве, чем уроки и статьи. Для заинтересовавшихся:
+
+- Удаление – от `deleteEntry()` дальше в `fixAfterDeletion()`;
+- Добавление – `fixAfterInsertion()` – непосредственно перекраска узлов после вставки нового элемента.
+- Балансировка после перекраски – `rotateLeft()` и `rotateRight()` для поворота влево и вправо соответственно. Могут
+  быть вызваны как из `fixAfterDeletion()`, так и из `fixAfterInsertion()`.
+
+Это, кажется, первый раз, когда я в рамках статьи явно призываю к просмотру исходного кода. Если вам интересна тема
+деревьев – не стоит игнорировать, вам понравится.
+
+## HashSet, LinkedHashSet, TreeSet
+
+Все три указанные реализации строятся на соответствующих им `HashMap`, `LinkedHashMap` и `TreeMap`.
+
+Вне зависимости от того, о каком именно классе идет речь – он имеет поле, хранящее соответствующую _Map_’у (но не всегда
+имеет к нему доступ). Элементы сета – ключи данной мапы, а значения представлены константным объектом – значением 
+`static final` поля `PRESENT`, которое инициировано как `new Object()`.
+
+В свою очередь, любая операция по добавлению/удалению элементов представляет соответствующую операцию для мапы. Ключ –
+добавляемый объект, значение (если требуется) – `PRESENT`.
+
+Метод `contains()` сводится к вызову `containsKey()` у мапы, а методы `TreeSet`, возвращающие новые _Set_’ы – сводятся к
+вызову конструктора `TreeSet` с параметром `Map`, где `Map` – результат аналогичной операции в рамках `TreeMap`.
+
+Интересный факт: `LinkedHashSet`, не считая метода `spliterator()`, содержит лишь конструкторы. Все они ведут к вызову
+конструктора суперкласса – `HashSet`, сделанному специально для `LinkedHashSet` – лишь он инициирует внутреннюю мапу
+как `LinkedHashMap`, а не как `HashMap`. Таким образом, на уровне `LinkedHashMap` отсутствует доступ даже к собственной
+внутренней мапе (поле `map` у `HashSet` имеет модификатор `private`), хранящей значения этой коллекции. Что, к слову,
+является достаточно интересным примером инкапсуляции.
+
+#### На сегодня все!
+
+Учитывая тему урока, я не вижу возможности дать по нему практику. Однако могу посоветовать покопаться в
+исходниках `HashMap`. Качество кода отвратительное, зато можно открыть для себя много нового.
+
+![img.png](../../../commonmedia/justTheoryFooter.png)
+
+> Если что-то непонятно или не получается – welcome в комменты к посту или в лс:)
+>
+> Канал: https://t.me/ViamSupervadetVadens
+>
+> Мой тг: https://t.me/ironicMotherfucker
+>
+> **Дорогу осилит идущий!**