本文详细介绍了HashMap的内部工作原理，包括其存储结构（数组+链表+红黑树）、冲突解决机制、扩容策略以及源码分析。HashMap使用哈希函数存储键值对，当冲突时通过链表或红黑树解决。当链表长度超过8时，会转换为红黑树以提高性能。同时，文章还探讨了HashMap的构造函数、put方法以及相关常量和成员变量的作用。
HashMap汇总
1. HashMap是用于存储Key-Value键值对的集合；
2. HashMap根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，So具有很快的访问速度，但遍历顺序不确定；
3. HashMap中键key为null的记录至多只允许一条，值value为null的记录可以有多条；
4. HashMap非线程安全，即任一时刻允许多个线程同时写HashMap，可能会导致数据的不一致。
5. capacity：目前数组的长度。为了实现高效的扩容，其值总为2^n的形式。每次扩容后，n会加1，即整个数组的容量变为之前的2倍。该值初始默认值为16。
6. loadFactor：负载因子，默认值为 0.75。该值与threshold配合使用。
7. threshold：扩容的阈值，等于 capacity * loadFactor。即当数组内达到这么多元素时，会触发数组的扩容。
从整体结构上看HashMap是由数组+链表+红黑树（JDK1.8后增加了红黑树部分）实现的。
数组：
HashMap是一个用于存储Key-Value键值对的集合，每一个键值对也叫做一个Entry；这些Entry分散的存储在一个数组当中，该数组就是HashMap的主干。
链表：
因为数组Table的长度是有限的，使用hash函数计算时可能会出现index冲突的情况，所以我们需要链表来解决冲突；数组Table的每一个元素不单纯只是一个Entry对象，它还是一个链表的头节点，每一个Entry对象通过Next指针指向下一个Entry节点；当新来的Entry映射到冲突数组位置时，只需要插入对应的链表位置即可。
index冲突如下：
比如调用 hashMap.put("China", 0) ，插入一个Key为“China"的元素；这时候我们需要利用一个哈希函数来确定Entry的具体插入位置(index)：通过index = Hash("China")，假定最后计算出的index是2，那么Entry的插入结果如下：
图5. index冲突-1
但是，因为HashMap的长度是有限的，当插入的Entry越来越多时，再完美的Hash函数也难免会出现index冲突的情况。比如下面这样：
图6. index冲突-2
经过hash函数计算发现即将插入的Entry的index值也为2，这样就会与之前插入的Key为“China”的Entry起冲突；这时就可以用链表来解决冲突，当新来的Entry映射到冲突的数组位置时，只需要插入到对应的链表即可；此外，新来的Entry节点插入链表时使用的是“头插法”，即会插在链表的头部，因为HashMap的发明者认为后插入的Entry被查找的概率更大。
图7. index冲突-3
红黑树：
当链表长度超过阈值（8）时，会将链表转换为红黑树，使HashMap的性能得到进一步提升。
HashMap底层存储结构源码：
Node<K,V>类用来实现数组及链表的数据结构：
/** 数组及链表的数据结构
2 * Basic hash bin node, used for most entries. (See below for
3 * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
4 */
5 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
6 final int hash; //保存节点的hash值
7 final K key; //保存节点的key值
8 V value; //保存节点的value值
9 //next是指向链表结构下当前节点的next节点，红黑树TreeNode节点中也用到next
10 Node<K,V> next;
11
12 Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
13 this.hash = hash;
14 this.key = key;
15 this.value = value;
16 this.next = next;
17 }
18
19 public final K getKey() { return key; }
20 public final V getValue() { return value; }
21 public final String toString() { return key + "=" + value; }
22
23 public final int hashCode() {//哈希函数
24 return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
25 }
26
27 public final V setValue(V newValue) {//覆盖value，并返回被覆盖的value
28 V oldValue = value;
29 value = newValue;
30 return oldValue;
31 }
32
33 public final boolean equals(Object o) {
34 if (o == this)
35 return true;
36 if (o instanceof Map.Entry) {//如果o是entry类
37 Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;//强转
38 if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
39 Objects.equals(value, e.getValue()))
40 return true;
41 }
42 return false;
43 }
44 }TreeNode<K,V>用来实现红黑树相关的存储结构
/** 继承LinkedHashMap.Entry<K,V>，红黑树相关存储结构
2 * Entry for Tree bins. Extends LinkedHashMap.Entry (which in turn
3 * extends Node) so can be used as extension of either regular or
4 * linked node.
5 */
6 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
7 TreeNode<K,V> parent; //存储当前节点的父节点
8 TreeNode<K,V> left; //存储当前节点的左孩子
9 TreeNode<K,V> right; //存储当前节点的右孩子
10 TreeNode<K,V> prev; //存储当前节点的前一个节点
11 boolean red; //存储当前节点的颜色（红、黑）
12 TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
13 super(hash, key, val, next);
14 }
15
16 public class LinkedHashMap<K,V>
17 extends HashMap<K,V>
18 implements Map<K,V>
19 {
20
21 /**
22 * HashMap.Node subclass for normal LinkedHashMap entries.
23 */
24 static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
25 Entry<K,V> before, after;
26 Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
27 super(hash, key, value, next);
28 }
29 }HashMap各常量及成员变量的作用
HashMap相关常量：
/** 创建HashMap时未指定初始容量情况下的默认容量
2 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
3 */
4 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 1 << 4 = 16
5
6 /** HashMap的最大容量
7 * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
8 * by either of the constructors with arguments.
9 * MUST be a power of two <= 1<<30.
10 */
11 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 1 << 30 = 1073741824
12
13 /** HashMap默认的装载因子，当HashMap中元素数量超过 容量*装载因子 时，则进行resize()扩容操作
14 * The load factor used when none specified in constructor.
15 */
16 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
17
18 /** 用来确定何时解决hash冲突的，链表转为红黑树
19 * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
20 * bin. Bins are converted to trees when adding an element to a
21 * bin with at least this many nodes. The value must be greater
22 * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
23 * tree removal about conversion back to plain bins upon
24 * shrinkage.
25 */
26 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
27
28 /** 用来确定何时解决hash冲突的，红黑树转变为链表
29 * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
30 * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
31 * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
32 */
33 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
34
35 /** 当想要将解决hash冲突的链表转变为红黑树时，需要判断下此时数组的容量，若是由于数组容量太小（小于MIN_TREEIFY_CAPACITY）而导致hash冲突，则不进行链表转为红黑树的操作，而是利用resize()函数对HashMap扩容
36 * The smallest table capacity for which bins may be treeified.
37 * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
38 * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
39 * between resizing and treeification thresholds.
40 */
41 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;HashMap相关成员变量：
/** 保存Node<K,V>节点的数组
4 * The table, initialized on first use, and resized as
5 * necessary. When allocated, length is always a power of two.
6 * (We also tolerate length zero in some operations to allow
7 * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
8 */
9 transient Node<K,V>[] table;
10
11 /** 由HashMap中Node<K,V>节点构成的set
12 * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
13 * for keySet() and values().
14 */
15 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
16
17 /** 记录HashMap当前存储的元素的数量
18 * The number of key-value mappings contained in this map.
19 */
20 transient int size;
21
22 /** 记录HashMap发生结构性变化的次数（value值的覆盖不属于结构性变化）
23 * The number of times this HashMap has been structurally modified
24 * Structural modifications are those that change the number of mappings in
25 * the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g.,
26 * rehash). This field is used to make iterators on Collection-views of
27 * the HashMap fail-fast. (See ConcurrentModificationException).
28 */
29 transient int modCount;
30
31 /** threshold的值应等于table.length*loadFactor，size超过这个值时会进行resize()扩容
32 * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
33 *
34 * @serial
35 */
36 // (The javadoc description is true upon serialization.
37 // Additionally, if the table array has not been allocated, this
38 // field holds the initial array capacity, or zero signifying
39 // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
40 int threshold;
41
42 /** 记录HashMap的装载因子
43 * The load factor for the hash table.
44 *
45 * @serial
46 */
47 final float loadFactor;HashMap构造器
构造方式一
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {//容量，负载因子
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);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
// tableSizeFor(initialCapacity)方法返回的值是最接近initialCapacity的2的幂次方
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;
}构造方式二
仅指定初始容量，装载因子的值采用默认的0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}构造方式三
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}构造方式四
指定集合转为HashMap
JDK8 HashMap源码 putMapEntries解析_anlian523的博客-优快云博客
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
// 把Map<? extends K, ? extends V> m中的元素插入HashMap
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) { //在创建HashMap时调用putMapEntries()函数，则table数组一定为空
if (table == null) { // pre-size
//根据待插入map的size计算出要创建的HashMap的容量
//加1.0f是因为后面要向下转型为int，精度会损失，造成容量不够大
//这样会算出小数来，但作为容量就必须向上取整，所以这里要加1
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
//如果小于最大容量，就取t；否则就赋值为最大容量
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
//t大于扩容值
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
//s大于扩容值就扩容
else if (s > threshold)
resize();
//增强for循环
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}HashMap的put方法
假如调用hashMap.put("apple",0)方法，将会在HashMap的table数组中插入一个Key为“apple”的元素；这时需要通过hash()函数来确定该Entry的具体插入位置，而hash()方法内部会调用hashCode()函数得到“apple”的hashCode；然后putVal()方法经过一定计算得到最终的插入位置index，最后将这个Entry插入到table的index位置。
//指定key和value，向HashMap中插入节点
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
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