hashmap原理解析

• 扩容机制

  • 何时扩容
    当元素个数size>threshold=cap*loadFactor
    size指的是key value的元素个数, cap指hashmap的table数组的长度（不包括链表),loadFactor指负载因子，默认0.75
  • 扩容关键参数
    cap,threshold,size
    默认初始大小16,负载因子0.75

  cap	threshold	size
  16	12	0
  32	24	13
  64	48	25
  128	96	49
  256	192	97
  512	384	193
  1024	768	385
  2048	1536	769
  4096	3072	1537
  8192	6144	3073
  16384	12288	6245

  当size>threshold的时候，会发生扩容，扩容之后的容量cap是上一次的两倍，threshold也是上一次的两倍，由于都是两倍，所以threshold=cap*loadFactor这个等式在扩容后仍然成立．

  • 元素个数和初始容量的公式
    当已知map元素个数是x的情况下，如何设置初始化容量？
    HashMap map = new HashMap(int initialCapacity);
    由于threshold=cap乘以loadFactor<元素个数的时候会扩容，所以为了不扩容，必须满足：
    所以　threshold=cap*loadFactor>=元素个数
    所以　cap>=元素个数/loadFactor
    cap是大于或者等于(元素个数/loadFactor)的最小的2的n次幂
    综上所述：
    当负载因子是0.75的时候，
    元素个数和初始化参数有如下关系：

元素个数	threshold	初始化个数
13	17.7	17-32
96	128	65-128
10000	13333.3	8193-16384

这个公式比较难表达出来
initialCapacity的最大值是大于或者等于（元素个数/loadFactor）的最小的2的次方．假设这个数是maxInitialCapacity
initialCapacity的最小值是maxInitialCapacity/2+1;
initialCapacity是maxInitialCapacity/2+1的时候，数组的初始大小会自动扩展到maxInitialCapacity;

• 阿里规约
  initialCapacity = (需要存储的元素个数 / 负载因子) + 1。注意负载因子（即loader factor）默认为0.75， 如果暂时无法确定初始值大小，请设置为16（即默认值）。

• 谷歌guava工具类
  com.google.common.collect.Maps#newHashMapWithExpectedSize

      public static <K, V> HashMap<K, V> newHashMapWithExpectedSize(int expectedSize) {
          return new HashMap(capacity(expectedSize));
      }
  
      static int capacity(int expectedSize) {
          if (expectedSize < 3) {
              CollectPreconditions.checkNonnegative(expectedSize, "expectedSize");
              return expectedSize + 1;
          } else {
              return expectedSize < 1073741824 ? (int)((float)expectedSize / 0.75F + 1.0F) : 2147483647;
          }
      }
  

  如果用Maps#newHashMapWithExpectedSize，expectedSize指定为元素个数即可

• 扩容过程解析，java7 vs java8

  • java7扩容的时候会遍历table的Entry,每个Entry里再遍历链表．由于扩容的时候，hashCode不变，但是hashSeed发生变化，java7的hash依赖于hashCode和hashSeed，所以java7每个节点的hash都要重新计算，并且链表的节点顺序会逆转．

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

• java8扩容的时候也是遍历table的Entry,每个Entry里再遍历链表．但是java8的hash只依赖于hashCode，扩容的时候hashCode不变，所以hash不变，不需要重新计算．同时java8做结点重排序的时候有一个巧妙的算法．即结点的hash不变，newCap=oldCap*2的时候，结点X在新map中的位置要么等于原来的位置p，要么等于p+oldCap,判断条件是(e.hash & oldCap) == 0是否满足，满足则在原位置p，不满足则在p+oldCap

for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
    Node<K,V> e;
    if ((e = oldTab[j]) != null) {
        oldTab[j] = null;
        if (e.next == null)
            newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
        else if (e instanceof TreeNode)
            ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
        else { // preserve order
            Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
            Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
            Node<K,V> next;
            do {
                next = e.next;
                if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                    if (loTail == null)
                        loHead = e;
                    else
                        loTail.next = e;
                    loTail = e;
                }
                else {
                    if (hiTail == null)
                        hiHead = e;
                    else
                        hiTail.next = e;
                    hiTail = e;
                }
            } while ((e = next) != null);
            if (loTail != null) {
                loTail.next = null;
                newTab[j] = loHead;
            }
            if (hiTail != null) {
                hiTail.next = null;
                newTab[j + oldCap] = hiHead;
            }
        }
    }
}

具体的分析可参考：https://blog.youkuaiyun.com/qq_37113604/article/details/81353626