Java之HashMap进阶

对HashMap的数据结构和工作原理进行学习。

一、数据结构

随着版本的不同，HashMap的数据结构不同。

版本	数据结构
jdk 1.7及以前	数组+链表
jdk 1.8后	数组+链表+红黑树

• 数组：
  HashMap的主干数据结构是数组，即key经过hash计算后将节点对象存放到数组对应的位置上
• 链表：
  当多个不同的key经过hash计算后得到的值相同，那么在数组对应位置上存储多个对象的链表，每个对象的属性除了key，value外还有next，即指向下一个节点的地址
• 红黑树
  jdk1.8以后，如果某一条链表的长度超过8（默认），则转为红黑树的存储方式

二、工作原理

无参始化hashmap时，数组的初始容量 为16，负载因子为0.75。容器的阈值等于 初始容量 × 负载因子，默认情况下阈值为 16 * 0.75 = 12;

2.1 put过程

第一步：
hashMap使用自己的hash算法，算出传入的key的hash值；

第二步：
用key的hash值调用indexOf()找到对象在数组中应该存放的位置；

第三步：
当size（容器中已有Entry的数量）大于阈值时，进行扩容，将数组长度扩容为原来的2倍

第四步：
将hash、key、value封装成一个Entry，存放到数组计算出来的位置中

1. 位置无元素，放在该位置；
2. 存在链表，则进行遍历，通过key进行equals比较：
   true：返回原来的value,将当前的value替换掉原来的
   false：将Entry对象的next指向改位置的初始节点（成为链表的第一个位置）

2.2 get过程

get过程的原理就比较简单，根据key的hashCode算出数组中的下标，遍历Entry链表，直到找到元素，源码如下:

/**
     * Returns the value to which the specified key is mapped,
     * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
     *
     * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
     * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
     * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
     * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.)
     *
     * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
     * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
     * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
     * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
     * distinguish these two cases.
     *
     * @see #put(Object, Object)
     */
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);
 
        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }
 
    /**
     * Offloaded version of get() to look up null keys.  Null keys map
     * to index 0.  This null case is split out into separate methods
     * for the sake of performance in the two most commonly used
     * operations (get and put), but incorporated with conditionals in
     * others.
     */
    private V getForNullKey() {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

/**
     * Returns the entry associated with the specified key in the
     * HashMap.  Returns null if the HashMap contains no mapping
     * for the key.
     */
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
 
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

1. get的时候，如果key==null，判断Map的长度也为空的话就返回null，如果Map长度不为空，并且存在Entry，遍历table[0]，返回e.value.
2. getEntry的时候，首先要获取key的hash值，通过hash和table.length获取到的hashCode值得到entry在数组中存放的位置，如果传入的key与遍历的元素的key的hash相等的话并且key.equals为true，则返回entry；（如果返回的entry不为空的话，则返回entry的value值）。

2.3 负载因子

2.3.1 作用

用来计算阈值(初始容量 × 负载因子)，当容量打到阈值时自动触发扩容机制。

2.3.2 为什么是0.75

这是时间和空间的权衡，是一个折中的选择。

1. 负载因子太高，虽然提高了空间利用率，但是会导致大量的hash冲突，降低查询效率。
2. 当负载因子为0.5或者更低的时候，hash冲突降低从而提高了查询效率，但原本需要1M的存储空间，现在需要2M甚至更大的存储空间，结果就是空间利用率降低了。