Java HashMap详解及实现原理

一、什么是Java HashMap

Java HashMap是Java集合框架中最常用的实现Map接口的数据结构，它使用哈希表实现，允许null作为键和值，可以存储不同类型的键值对。HashMap提供了高效的存取方法，并且是非线程安全的。在Java中，HashMap被广泛应用于各种场景，如缓存、数据库连接池、路由器等。

二、Java HashMap的实现原理

HashMap使用哈希表(Hash Table)实现，哈希表是一种以键值对(key-value)的形式进行存储和快速查找的数据结构。HashMap内部维护了一个数组，每个数组元素都是一个链表节点，每个节点包含一个键值对，以及指向下一个节点的指针。当需要查找或插入一个元素时，HashMap首先计算该元素的哈希值，根据哈希值确定它在数组中的位置，然后在对应的链表上进行查找或插入操作。

1. 哈希值的计算方法

首先，HashMap会调用键对象的hashCode()方法，获取到该对象的哈希码。哈希码是一个int类型的整数，用于表示该对象的标识号。但是，由于哈希码的范围很大，因此通常需要对它进行下一步处理，转换成一个比较小的数值，以便存储到数组中。这样，就用到了哈希函数(Hash Function)，哈希函数用于将大范围的哈希码映射到较小的数组索引范围内。

HashMap的哈希函数有多种实现方式，其中一种常用的方法是将哈希码与数组长度取模后的余数作为数组下标，即：

ini复制代码index = hashCode % array.length

其中，array为HashMap内部维护的数组，hashCode为键的哈希码，index为键在数组中的下标。这个方法的优点是简单、快速，但缺点也很明显：当哈希码分布不均衡时，容易出现哈希冲突(Haah Collision)，即不同的键对象具有相同的哈希码，导致它们被映射到同一个数组位置上，形成一个链表。

2. 解决哈希冲突的方法

为了解决哈希冲突，HashMap使用链表法(Chaining)来处理。链表法是将哈希冲突的元素以链表的形式组织起来，所有哈希值相同的元素作为同一个链表的节点，并按照插入顺序排列。

链表法的实现非常简单，每个数组元素都是一个链表节点，如果该元素已经存在链表中，则将新元素插入到链表的末尾，否则创建一个新的节点，并将其插入到链表头部。这种方式可以在O(1)的时间内进行查找、插入和删除等操作。

当链表长度变长时，查找、插入和删除操作的效率会降低。为了解决这个效率问题，JDK1.8引入了红黑树(Red-Black Tree)的使用场景，当链表长度超过阈值(默认为8)时，将链表转换为红黑树，以提高效率。

3. 数组扩容

数组扩容是HashMap内部的一个重要操作，当调用put()方法时，若当前的元素数量已经达到了扩容阈值，则需要进行数组扩容操作。其扩容机制如下：

首先，创建一个新的空数组，大小为原数组的两倍；然后遍历原数组中的每个元素，重新计算它们在新数组中的位置，然后将这些元素放到新数组中相应的位置上；最后，再将新数组设置为HashMap内部的数组。因此，在扩容过程中，需要重新计算哈希值，重新映射数组下标，并将元素复制到新数组，这个过程是很费时间和空间的。因此，为了减少扩容的次数，一般情况下，将HashMap的初始化容量设置为能够存放预计元素数量的1.5倍。

4. 加载因子

HashMap内部还维护着一个加载因子(load fac