HashMap工作原理

HashMap 是 Java 集合框架中最重要且最常用的数据结构之一，它基于哈希表实现了 Map 接口，提供了高效的键值对存储和检索能力。
Java 8 之后的 HashMap 采用 数组 + 链表 + 红黑树 的混合结构：

// 简化结构示意
transient Node<K,V>[] table;  // 主数组（哈希桶数组）

static class Node<K,V> {      // 链表节点
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;
}

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {  // 红黑树节点
    TreeNode<K,V> parent;  
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // 保持双向链表特性
    boolean red;
}

一、工作流程

1. 存储过程（put）

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

具体步骤：
计算哈希值：对 key 进行 hash(key) 计算（高16位异或低16位）
确定桶位置：index = (n - 1) & hash（n 是数组长度）
处理碰撞：
如果桶为空：直接创建新节点插入
如果桶不为空：
如果是链表：遍历查找，存在则更新，不存在则尾插（Java8），检查是否需树化（链表长度≥8）
如果是红黑树：按照树的方式插入
扩容检查：如果元素总数超过阈值（容量×负载因子），进行扩容（2倍）

2. 读取过程（get）

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

具体步骤：
计算 key 的哈希值
确定桶位置 (n-1) & hash
在桶中查找：
如果是链表：顺序查找（O(n)）
如果是红黑树：树查找（O(log n)）

3. 扩容机制（resize）

当 size > threshold（容量×负载因子）时触发：

创建新数组（2倍于原容量）
重新计算所有元素的哈希位置（rehash）
迁移元素：
Java 7：头插法（可能导致死链）
Java 8+：保持原链表顺序或拆分树

二、线程安全问题

HashMap 不是线程安全的，多线程环境下可能出现：

数据不一致
Java 7 扩容时的死循环问题（已修复）
解决方案：
使用 Collections.synchronizedMap
使用 ConcurrentHashMap（推荐）

三、常见问题

1、HashMap的value是否可以传null？

HashMap允许null作为值存储在HashMap中。允许一个null作为key，如果尝试使用多个null作为key，后面的会覆盖前面的。

2、HashMap和Hashtable的区别

HashMap线程不安全，Hashtable线程安全
HashMap允许null键值，Hashtable不允许
HashMap性能更好

3、HashMap 的初始容量和负载因子是什么？

默认初始容量 16
默认负载因子 0.75
当元素数量超过(容量×负载因子)时扩容

4、HashMap 如何解决哈希冲突？

哈希冲突是指不同的键(key)经过哈希函数计算后得到相同的哈希值，从而映射到哈希表的同一个位置。HashMap 主要采用以下几种方式解决哈希冲突：

1. 链地址法（拉链法）Java 7 及之前版本的实现方式：
   使用数组+链表的结构
   当发生哈希冲突时，将冲突的键值对以链表形式存储在同一个桶(bucket)中
   新元素插入到链表头部（头插法）

// Java 7 的简单示意结构
数组 + 链表：
[0] -> null
[1] -> Entry<K,V> -> Entry<K,V> -> null  // 哈希冲突的键值对形成链表
[2] -> null
...

2. 红黑树优化（Java 8+）
   当链表长度超过阈值(默认为8)时，将链表转换为红黑树
   当红黑树节点数小于阈值(默认为6)时，转换回链表
   这种改进将最坏情况下的时间复杂度从O(n)降低到O(log n)

// Java 8+ 的混合结构
[0] -> null
[1] -> TreeNode<K,V>  // 转换为红黑树
[2] -> Node<K,V> -> Node<K,V> -> null  // 仍然是链表
...

5、为什么 HashMap 的长度是 2 的幂次方？

方便通过位运算计算索引：(n-1) & hash
提高计算效率，减少哈希冲突

6、HashMap 的 put 方法执行流程？

• 计算 key 的 hash 值
• 计算数组下标
• 判断是否冲突
• 插入节点(链表或红黑树)

7、为什么 Java 8 要将链表转为红黑树？

防止哈希碰撞攻击
链表过长时查询效率从 O(n) 提升到 O(logn)

8、HashMap 为什么不是线程安全的？

多线程扩容可能导致死循环
使用 ConcurrentHashMap 替代

9、HashMap 的扩容机制是怎样的？

扩容为原大小的 2 倍
重新计算所有元素的位置

10、如何优化 HashMap 的性能？

设置合理的初始容量
选择合适的负载因子
使用不可变对象作为键

11、HashMap 和 TreeMap 的区别？

HashMap 基于哈希表，无序
TreeMap 基于红黑树，有序

12、HashMap 在多线程环境下会出现什么问题？

数据不一致
死循环(Java 7 及以前版本)
推荐使用 ConcurrentHashMap

13、如何设计一个好的 hashCode 方法？

保证相同对象返回相同值
尽量使不同对象返回不同值
计算简单高效

14、HashMap 的 key 为什么通常用不可变对象？

防止 key 变化导致 hash 值变化
保证数据一致性

15、如何实现一个线程安全的 HashMap？

使用 Collections.synchronizedMap
使用 ConcurrentHashMap
使用读写锁封装