HashMap详解笔记

原创 于 2025-09-19 17:05:12 发布 · 646 阅读 · 6 ·
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#笔记 #java #数据结构 #HashMap

HashMap 详解

一、概述

HashMap 是 Java 集合框架中 java.util 包下的重要实现类，基于哈希表实现，用于存储键值对（Key-Value）映射。它允许 null 键和 null 值，是非线程安全的集合，其迭代器是快速失败（fail-fast）的。

核心特点：

  • 存储键值对，键唯一（通过 equals() 判断）

  • 无序（存储顺序与插入顺序不一致）

  • 非线程安全

  • 可以有null值

  • 查询、插入、删除效率高（平均 O (1) 时间复杂度）

二、数据结构

1. 整体结构

HashMap 的底层数据结构在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 中有差异：

  • JDK 1.7：数组 + 链表（拉链法解决哈希冲突）

  • JDK 1.8：数组 + 链表 + 红黑树（当链表长度超过阈值时转为红黑树，优化查询效率）

2. 各部分作用

  • 数组（哈希表）：也称为桶（Bucket），是 HashMap 的主体，默认初始容量为 16，元素类型为 Node<K,V>（JDK 1.8 中链表节点）或 TreeNode<K,V>（红黑树节点）。

  • 链表：解决哈希冲突（不同 key 计算出相同哈希值时，将元素以链表形式存储在同一桶中）。

  • 红黑树：当链表长度超过 8 且数组容量 ≥ 64 时，链表会转为红黑树（平衡二叉树），将查询时间复杂度从 O (n) 优化为 O (log n)。

三、核心参数

参数作用默认值
initialCapacity初始容量（数组长度），必须是 2 的幂次16
loadFactor负载因子（扩容阈值因子）0.75f
threshold扩容阈值（capacity * loadFactor），当元素数量超过此值时触发扩容12（16*0.75）
size实际存储的键值对数量0
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY默认初始容量16
MAXIMUM_CAPACITY最大容量（2^30）1073741824
TREEIFY_THRESHOLD链表转红黑树的阈值8
UNTREEIFY_THRESHOLD红黑树转链表的阈值（删除元素时触发）6
MIN_TREEIFY_CAPACITY链表转红黑树的最小数组容量（避免频繁扩容）64

四、常用方法详解

1. put(K key, V value)

作用：向 HashMap 中添加键值对，若 key 已存在则覆盖旧值。

流程：

  1. 计算 key 的哈希值（通过hash(key)方法：

    static final int hash(Object key) {
    int h;
    // 对 key 的 hashCode 进行高位异或低位，减少哈希冲突
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

  2. 根据哈希值计算数组索引（桶位置）：index = (n - 1) & hash（n 为数组长度，利用位运算替代取模，效率更高）。

  3. 检查桶位置：

    • 若桶为空，直接创建新节点放入。

    • 若桶不为空：

      • 若头节点 key 与插入 key 相同（equals() 判断），覆盖旧值。

      • 若头节点是红黑树节点，调用红黑树的插入方法。

      • 若头节点是链表节点，遍历链表：

        • 找到相同 key 则覆盖旧值。

        • 未找到则在链表尾部插入新节点，插入后若链表长度 ≥ 8，且数组容量 ≥ 64，则将链表转为红黑树。

  4. 插入后若 size > threshold，触发扩容（resize()）。

2. get(Object key)

作用：根据 key 获取对应 value，若 key 不存在则返回 null。

流程：

  1. 计算 key 的哈希值（同 put 方法）。

  2. 根据哈希值计算数组索引，定位到目标桶。

  3. 检查桶中元素：

    • 若桶为空，返回 null。

    • 若桶中是红黑树，调用红黑树的查找方法。

    • 若桶中是链表，遍历链表，通过 equals() 匹配 key，找到则返回对应 value，否则返回 null。

3. containsKey(Object key)

作用：判断 HashMap 中是否包含指定 key。

流程：与 get 方法类似，区别在于找到 key 后返回 true，未找到则返回 false（不关心 value）。

4. getOrDefault(Object key, V defaultValue)

作用：根据指定的key获取对应的value，若key不存在则返回预设的默认值。

流程：调用get(key)获取value，判断value以及key的存在性，使用containKey是因为get(key)返回null有可能是key不存在也可能是key存在但是value为null，获取到value的话存到变量v中，不存在则返回defaultValue。

        V v;
        return (((v = get(key)) != null) || containsKey(key))
            ? v
            : defaultValue;

5. 其他常用方法

  • remove(Object key)：删除指定 key 对应的键值对，返回被删除的 value（若 key 不存在返回 null）。

  • size()：返回键值对数量。

  • isEmpty()：判断是否为空（size == 0 时返回 true）。

  • clear()：清空所有键值对。

  • keySet()：返回所有 key 的集合（Set<K>）。

  • values()：返回所有 value 的集合（Collection<V>）。

五、扩容机制（resize()）

1. 触发条件

当 HashMap 中键值对数量 size > threshold（capacity * loadFactor）时，触发扩容。

2. 扩容流程

  1. 计算新容量：新容量 = 旧容量 * 2（保证容量始终是 2 的幂次）。

  2. 计算新阈值：新阈值 = 新容量 * loadFactor。

  3. 创建新数组（容量为新容量）。

  4. 将旧数组中的元素迁移到新数组：

    • JDK 1.7：重新计算所有元素的哈希值和索引，再迁移（效率低）。

    • JDK 1.8：优化迁移逻辑：

      • 对于链表节点：通过

        (hash & oldCap) == 0

        判断索引是否变化（无需重新计算哈希）：

        • 若为 0，索引不变，仍在原位置。

        • 若为 1，新索引 = 旧索引 + 旧容量。

      • 对于红黑树节点：拆分红黑树为两个链表（或红黑树），再迁移。

  5. 替换旧数组为新数组，更新容量和阈值。

六、常见面试题

1. HashMap 与 Hashtable 的区别？

对比项HashMapHashtable
线程安全非线程安全线程安全（方法加 synchronized）
null 键值允许 null 键和 null 值不允许 null 键和 null 值
初始容量16，扩容为 2 倍11，扩容为 2 倍 + 1
效率高（无同步开销）低（同步开销大）
父类继承 AbstractMap继承 Dictionary

2. JDK 1.7 与 JDK 1.8 中 HashMap 的区别？

对比项JDK 1.7JDK 1.8
数据结构数组 + 链表数组 + 链表 + 红黑树
链表插入方式头插法（可能导致扩容时链表环化）尾插法（避免环化）
扩容时哈希计算重新计算哈希值利用 (hash & oldCap) 判断索引
红黑树优化无有（链表转红黑树提升查询效率）
冲突解决拉链法拉链法 + 红黑树

3. 为什么 HashMap 的初始容量是 16？

  • 16 是 2 的幂次，通过 (n - 1) & hash 计算索引时，n - 1 的二进制全为 1（如 15 是 1111），能保证哈希值的低位全参与运算，减少哈希冲突。

  • 16 是平衡初始空间和扩容频率的折中值（太小易频繁扩容，太大浪费空间）。

4. 为什么负载因子是 0.75？

  • 负载因子是「空间」与「时间」的平衡：

    • 太小（如 0.5）：哈希冲突少，但扩容频繁，浪费空间。

    • 太大（如 1.0）：空间利用率高，但哈希冲突多，查询效率低。

  • 0.75 是基于概率统计的最优值（哈希冲突概率较低，且空间利用率合理）。

5. HashMap 为什么线程不安全？

  • JDK 1.7 中，扩容时链表头插法可能导致链表环化，引发死循环。

  • 多线程并发修改时，可能出现数据覆盖（如同时 put 相同 key 导致值丢失）。

  • 解决方案：使用 ConcurrentHashMap（线程安全，效率高于 Hashtable）。

6. 哈希冲突的解决方法有哪些？

  • 拉链法（HashMap 采用）：将哈希值相同的元素以链表 / 红黑树形式存储在同一桶中。

  • 开放地址法：当哈希冲突时，通过线性探测、二次探测等方式寻找下一个空桶。

  • 再哈希法：使用多个哈希函数，若第一个函数冲突则使用第二个。

7. 红黑树的转换条件是什么？

  • 链表转红黑树：当链表长度 ≥ TREEIFY_THRESHOLD（8），且数组容量 ≥ MIN_TREEIFY_CAPACITY（64）。

  • 红黑树转链表：当红黑树节点数量 ≤ UNTREEIFY_THRESHOLD（6）。

8. HashMap 的 key 可以是自定义对象吗？需要注意什么？

  • 可以，但必须重写hashCode()和equals()

    方法：

    • hashCode()：保证相同对象返回相同哈希值，不同对象尽量返回不同哈希值（减少冲突）。

    • equals()：保证相同对象返回 true（需满足自反性、对称性、传递性）。

  • 注意：key 应尽量不可变（如 String、Integer），否则修改后可能导致无法找到对应 value。

七、总结

HashMap 是 Java 中最常用的键值对存储工具，其核心是通过哈希表实现高效的增删改查。JDK 1.8 引入红黑树优化长链表查询，使性能更稳定。理解其数据结构、扩容机制和线程安全性，对日常开发和面试都至关重要。在并发场景中，应优先使用 ConcurrentHashMap 替代 HashMap。

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本文参考： hashset源码学习网站： https://www.bilibili.com/video/BV1FE411t7M7?from=search&seid=4736935028171333861 1. HashMap集合介绍 jdk8之前：HashMap是由数组+链表组成，数组是主体，链表是为了解决哈希冲突 【哈希冲突】：两个对象调用的hashCode方法计算的哈希码值一直导致计算的数组索引相同 jdk8之后：HashMap由：数组+链表+红黑树组成；链表和红黑树是为了解决哈希冲突的。
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