集合系列(三) -HashMap详解

一、摘要

在集合系列的第一章，咱们了解到，Map的实现类有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、IdentityHashMap、WeakHashMap、Hashtable、Properties等等。

关于HashMap，一直都是一个非常热门的话题，只要你出去面试，我保证一定少不了它！

本文主要结合JDK1.7和JDK1.8的区别，就HashMap的数据结构和实现功能，进行深入探讨，废话也不多说了，直奔主题！

二、简介

在程序编程的时候，HashMap是一个使用非常频繁的容器类，它允许键值都放入null元素。除该类方法未实现同步外，其余跟Hashtable大致相同，但跟TreeMap不同，该容器不保证元素顺序，根据需要该容器可能会对元素重新哈希，元素的顺序也会被重新打散，因此不同时间迭代同一个HashMap的顺序可能会不同。

HashMap容器，实质还是一个哈希数组结构，但是在元素插入的时候，存在发生hash冲突的可能性；

对于发生Hash冲突的情况，冲突有两种实现方式，一种开放地址方式（当发生hash冲突时，就继续以此继续寻找，直到找到没有冲突的hash值），另一种是拉链方式（将冲突的元素放入链表）。Java HashMap采用的就是第二种方式，拉链法。

在jdk1.7中，HashMap主要是由数组+链表组成，当发生hash冲突的时候，就将冲突的元素放入链表中。

从jdk1.8开始，HashMap主要是由数组+链表+红黑树实现的，相比jdk1.7而言，多了一个红黑树实现。当链表长度超过8的时候，就将链表变成红黑树，如图所示。

关于红黑树的实现，因为篇幅太长，在《集合系列》文章中红黑树设计，也有所介绍，这里就不在详细介绍了。

三、源码解析

直接打开HashMap的源码分析，可以看到，主要有5个关键参数：

• threshold：表示容器所能容纳的key-value对极限。
• loadFactor：负载因子。
• modCount：记录修改次数。
• size：表示实际存在的键值对数量。
• table：一个哈希桶数组，键值对就存放在里面。

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    
    //所能容纳的key-value对极限
    int threshold;
    
    //负载因子
    final float loadFactor;
    
    //记录修改次数
    int modCount;
    
    //实际存在的键值对数量
    int size;
    
    //哈希桶数组
    transient Node<K,V>[] table;
}

接着来看看Node这个类，Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//hash值
        final K key;//k键
        V value;//value值
        Node<K,V> next;//链表中下一个元素
}

在HashMap的数据结构中，有两个参数可以影响HashMap的性能：初始容量（inital capacity）和负载因子（load factor）。

初始容量（inital capacity）是指table的初始长度length（默认值是16）；
负载因子（load factor）用指自动扩容的临界值（默认值是0.75）；

threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数，计算公式threshold = capacity * Load factor。当entry的数量超过capacity*load_factor时，容器将自动扩容并重新哈希，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍，所以数组的长度总是2的n次方。

初始容量和负载因子也可以修改，具体实现方式，可以在对象初始化的时候，指定参数，比如：

Map map = new HashMap(int initialCapacity, float loadFactor);

但是，默认的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择，建议大家不要修改，除非在时间和空间比较特殊的情况下，如果内存空间很多而又对时间效率要求很高，可以降低负载因子Load factor的值；相反，如果内存空间紧张而对时间效率要求不高，可以增加负载因子loadFactor的值，这个值可以大于1。 同时，对于插入元素较多的场景，可以将初始容量设大，减少重新哈希的次数。

HashMap的内部功能实现有很多，本文主要从以下几点，进行逐步分析。

• 通过K获取数组下标；
• put方法的详细执行；
• resize扩容过程；
• get方法获取参数值；
• remove删除元素；

3.1、通过K获取数组下标

不管增加、删除还是查找键值对，定位到数组的位置都是很关键的第一步，打开hashMap的任意一个增加、删除、查找方法，从源码可以看出，通过key获取数组下标，主要做了3步操作，其中length指的是容器数组的大小。

源码部分：

/**获取hash值方法*/
static final int hash(Object key) {
     int h;
     // h = key.hashCode() 为第一步 取hashCode值（jdk1.7）
     // h ^ (h >>> 16)  为第二步 高位参与运算（jdk1.7）
     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);//jdk1.8
}
/**获取数组下标方法*/
static int indexFor(int h, int length) {
    //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的
     return h & (length-1);  //第三步 取模运算
}

3.2、put方法的详细执行

put(K key, V value)方法是将指定的key, value对添加到map里。该方法首先会对map做一次查找，看是否包含该K，如果已经包含则直接返回；如果没有找到，则将元素插入容器。具体插入过程如下：

具体执行步骤

• 1、判断键值对数组table[i]是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容；
• 2、根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加；
• 3、当table[i]不为空，判断table[i]的首个元素是否和传入的key一样，如果相同直接覆盖value；
• 4、判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对；
• 5、遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；
• 6、插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容操作；

put方法源码部分

/**
 * put方法
 */
public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

插入元素方法

/**
 * 插入元素方法
 */
 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //1、判断数组table是否为空或为null
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //2、判断数组下标table[i]==null
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //3、判断table[i]的首个元素是否和传入的key一样
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //4、判断table[i] 是否为treeNode
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //5、遍历table[i]，判断链表长度是否大于8
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {