HashMap的实现原理

HashMap 是 Java 中的一个集合类，用于存储键值对。它是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现。下面我将详细解释其实现原理，包括源码中的关键部分，并且通过代码演示来揭示其工作细节。

实现原理：

1. 数据结构:
   HashMap 在 Java 中使用数组+链表+红黑树的复合数据结构。数组用于快速访问，链表用于解决哈希冲突，红黑树用于优化链表过长时的查找效率。

2. 哈希函数:
   当我们向 HashMap 添加一个键值对时，它首先会使用 hash() 方法计算键的哈希码，这个哈希码决定了该键值对在数组中的存储位置。

3. 哈希冲突解决:
   如果两个不同的键有相同的哈希码（哈希冲突），HashMap 会使用链表来存储这些键值对。如果链表中的元素个数超过一定的阈值（默认为8），链表会被转换为红黑树，以减少搜索时间。

4. 动态扩容:
   当 HashMap 中的元素超过容量与加载因子的乘积时，会发生扩容，即创建一个新的更大的数组，并将所有现有的数据迁移到新数组中。

源码分析：

以下是基于Java 8的 HashMap 的简化代码，以展示其核心实现：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

    // 默认的初始容量是16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 

    // 最大容量
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    // 默认的填充因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    // 存储元素的数组
    transient Node<K,V>[] table;

    // 存储元素的个数
    transient int size;

    // 下一次扩容的大小
    int threshold;

    // 填充因子
    final float loadFactor;

    // 内部类 Node，用于实现链表
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        // ... 还有 Getter 和 Setter 方法
    }

    // 构造方法
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

    // ... 其他方法

    // 添加键值对的方法
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

    // 根据键计算哈希值的方法
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

    // 核心的 put 方法
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++size;
        if (size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

    // ... 更多方法，如 resize、treeifyBin 等
}

代码演示：

HashMap<Integer, String> map = new HashMap<>();
map.put(1, "a"); // 将键值对(1, "a")放入HashMap中
map.put(2, "b"); // 将键值对(2, "b")放入HashMap中
map.put(1, "c"); // 更新键1的值，现在键值对为(1, "c")

String value = map.get(1); // 得到键1对应的值 "c"

在上面的代码中，当我们调用 put 方法时，它首先计算键的哈希值，在数组中找到存储的位置，然后根据情况插入新节点或者更新现有节点的值。当数组的大小超过阈值时，resize 方法会被调用，以此来保证 HashMap 的性能。

需要注意的是，以上的代码和解释是简化的版本，真实的 HashMap 实现要复杂得多，包括许多细节处理，例如如何确保并发访问的安全性（在 ConcurrentHashMap 中），如何减少哈希碰撞的可能性，以及如何优化性能等。