6.HashMap 从 JDK7 到 JDK21 的演进

HashMap 从 JDK7 到 JDK21 的演进（含红黑树化机制）

🚀 高频指数：★★★★★
🎯 你将收获：底层结构演变、扩容与树化机制、hash冲突解决、并发风险与源码逻辑图。

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一、为什么 HashMap 面试永远问不完？

因为它融合了：

• 数组、链表、红黑树三种数据结构；
• 哈希算法、扩容逻辑、并发原理；
• JVM 内存布局与 GC 行为。

☕️ 一句话总结：“一个 HashMap = 一部 Java 底层史。”

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二、结构总览：数组 + 链表 + 红黑树

组成部分	说明
Node<K,V>[] table	主数组（哈希桶）
Node<K,V>.next	冲突时形成链表
TreeNode<K,V>	冲突过多时转为红黑树
threshold	扩容阈值（容量 × 负载因子）
loadFactor	默认0.75，平衡空间与查找效率

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三、hash 冲突与扰动函数

1️⃣ key → hash

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

🔹 高16位与低16位异或，减少碰撞。
🔹 确保高位参与寻址，分布更均匀。

2️⃣ 取模定位桶

int index = (n - 1) & hash;

✅ 位运算代替 %，提升性能。
例如容量16 → (16-1)=15 → 按位与实现快速取模。

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四、JDK7 与 JDK8 的重大差异

特性	JDK7	JDK8
存储结构	数组 + 链表	数组 + 链表 + 红黑树
插入方式	头插法（链表逆序）	尾插法（链表顺序）
扩容实现	重新计算每个元素位置	利用 hash 位优化分配
初始化时机	延迟到第一次 put	同样延迟
遍历顺序	不保证顺序	同样不保证
并发问题	存在死循环风险	已解决（尾插+安全迁移）

☕️ 口诀：“七头八尾，八树化。”

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五、核心源码解析（JDK8）

1️⃣ put 流程简图

hash → 定位桶 → 无元素则新建Node
               → 有元素则：
                   - key相同 → 覆盖value
                   - key不同 → 链表/树追加节点
                   - 链表长度≥8 → 树化
                   - size > threshold → 扩容

2️⃣ treeifyBin 核心逻辑

if (tab == null || (n = tab.length) < 64)
    resize(); // 数组太小先扩容
else
    tab[i] = new TreeNode<>(...); // 链表转红黑树

✅ 树化条件：

• 链表长度 ≥ 8；
• 且数组容量 ≥ 64；
  否则优先扩容而非树化。

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六、扩容机制详解

扩容阈值计算

threshold = oldCapacity * loadFactor;

resize() 方法逻辑

newCap = oldCap << 1;  // ×2 扩容
for (Node<K,V> e : oldTab) {
    if (e.hash & oldCap == 0)
        newTab[j] = e;        // 留在原桶
    else
        newTab[j + oldCap] = e; // 移至新桶
}

⚙️ 利用 hash 位的“高1/低0”判断是否迁移 → 无需重新计算 hash。

📌 口诀：“低位留原，高位加偏。”

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七、红黑树化机制（JDK8+）

链表节点超过8时树化（TreeNode 结构）：

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent, left, right, prev;
    boolean red;
}

• 插入、删除后会自动旋转、着色；
• 当桶中元素数量 < 6 时退化为链表。

✅ 树化提升最差复杂度从 O(n) → O(log n)。

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八、hashCode、equals、冲突与覆盖

put() 时判断 key 相等逻辑：

if (p.hash == hash && (p.key == key || key.equals(p.key))) {
    p.value = newValue; // 覆盖
}

所以必须保证：equals 与 hashCode 一致性。

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九、JDK21 中 HashMap 的变化

🆕 自 JDK19 起，HashMap 内部已针对高性能场景做进一步优化。

版本	优化内容
JDK19	增加随机种子 hash，防御哈希碰撞攻击
JDK20	改进 resize 逻辑，减少复制开销
JDK21	支持“Compact HashMap”实验性特性（部分场景内存优化）
JDK21+	新增 computeIfAbsent 等 Lambda 优化内联

☕️ 趋势：从“稳定结构”向“高并发与内存友好”方向演进。

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十、面试官追问清单

面试问题	答题要点
HashMap 初始容量？	默认16，负载因子0.75
扩容时机？	size > capacity × loadFactor
链表树化条件？	链表长度≥8且容量≥64
为什么用红黑树？	保证查找O(log n)，避免退化
JDK7 与 JDK8 最大区别？	链表头插→尾插 + 树化机制
并发风险？	JDK7 多线程扩容死循环，JDK8已改进但仍非线程安全

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十一、项目实践建议

场景	建议
数据量已知	new HashMap<>(expectedSize * 4 / 3) 避免扩容
多线程环境	使用 ConcurrentHashMap
Key 为自定义类	必须重写 equals 与 hashCode
高性能缓存	调整负载因子到0.6–0.7 平衡空间与效率

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十二、口诀记忆

☕️ “数组为体，链表为骨，红黑为盾，扩容自愈。”

补充版：
“七头八尾八树化，六退回链六十四。”

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十三、小结

知识点	要点
数据结构	数组 + 链表 + 红黑树
默认参数	初始容量16，负载因子0.75
扩容策略	×2扩容，重新分配桶
树化规则	链表≥8且容量≥64
性能复杂度	O(1) → O(log n)（树化后）
并发安全	非线程安全（推荐ConcurrentHashMap）

✅ 一句话总结：“HashMap 一半是算法，一半是艺术。”