本文详细解析了HashMap的数据结构、工作原理及核心方法。介绍了HashMap如何通过数组和链表存储键值对，探讨了hash算法、扩容机制及其对性能的影响。
屌丝程序员的奋斗之路现在开始
java集合这一块无论在面试或在写代码中，我们都会接触到，所以java集合是特别重要的，其中HashMap更是被我们经常用到。
一.概括
HashMap是用键值对的既已key-value的形式来存储值的，当然这只是展现给大家的一种表象，key和value都可以为空，但是key不能重复，HashMap不是现线安全的，如果想让HashMap变成现线安全的，可以调用Collections的静态方法synchronized方法。其实HashMap是用一个动态数组和多个链表来存放key-value的，key-value不是直接放在数组和链表里面的，key-value是被一个叫Entry的对象给封装了，所以动态数据和链表里面是存放的Entry对象的。
二.HashMap的数据结构
HashMap可以说是由一个动态数组和多个链表组成，链表是接在每一个数组单元下面的，动态数组和链表中存储的单元是一个叫Entry的对象，从下面的图中可以很直观的看出HashMap的数据结构，其中每一个单元格存储的就是Entry对象了，这一个Entry对象是HashMap的一个静态类
Entry源代码
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;//指向一下个Entry对象，他是为解决hash冲突而存在的。
int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^
(value==null ? 0 : value.hashCode());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}从Entry的属性中看到了我们所熟悉的key和value,没错，这就是我们在用HashMap的时候所要接触到的key,value，Entry对key-value进行了封装，我们再看看Enrty的next属性，存储的就是指向下一个对象的指针，当然java是没有指针这一说的，我觉得在这里将它当成指针更好理解，next在出现hash冲突的时候会发生作用，现在我们再看看上面的那一张图，现在知道为什么那些绿色的链表是怎么连接起来的了吧，就是通过Entry的next属性指向下一个Entry对象连接起来的，所以在HashMap源码中是看不到动态链表的定义，但是它确实是存在的。
三.HashMap的API
1.HashMap的相关属性
/**
* HashMap中数组的默认大小是16
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* 数组的最大长度
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 默认的加载因子是0.75
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 存放Entry对象的数组，也是HashMap存放数据的地方
*/
transient Entry<K,V>[] table;
/**
* HashMap的存入值得个数，注意：他和数组的大小是没有关系的
*/
transient int size;
/**
* 边界值 <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">边界值=HahsMap的容量*加载因子</span>
* @serial
*/
int threshold;
/**
*加载因子
* @serial
*/
final float loadFactor;边界值=数组大小*加载因子
当HashMap所存储对象的个数超过边界值的时候就会对数组进行扩容，例如HashMap默认的加载因子是0.75，数组默认的大小是16，所以边界值是12，当我们在HashMap中存储的值大于等于12的时候，HashMap会对数组table进行2倍的扩容。
2.HashMap的构造方法
/**
*给数组设置初始容量和加载因子
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
/*
*将数组的容量设置为大于初始容量的最小2次幂
*例如你给HashMap设置的初始容量是20，那HashMap会自动将容量变为32
*/
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
init();
}
/**
*如果只设置HashMap初始大小，就用默认的加载因子：0.75
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
*给HashMap设置成默认的大小：16,默认的加载因子0.75
*/
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
*将Map集合存入HashMap
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
putAllForCreate(m);
}3.HahMap的hash算
看的不是太懂，需要知道HahMap就是根据key值来进行hash计算的
/**
*HashMap的hash算法
*/
final int hash(Object k) {
int h = 0;
if (useAltHashing) {
if (k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h = hashSeed;
}
h ^= k.hashCode();
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}4.HahMap的取值方法:get(Object key)
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
//对key进行hash计算得到hash值
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
//再用hash值对数据长队进行取模运算得到key在数组的存储位置，再遍历以数组这个位置为头结点的链表
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {
Object k;
//先去比较key的hash值是否相等，相等再去比较key值是否相等，如果两个都相等，才算找到了
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}再看看getForNullKey这个特殊的方法
private V getForNullKey() {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
5.HahMap的存值方法：V put(K key, V value)
put方法的整个处理流程是：计算key的hash值，根据hash值获得key在table数组中的索引位置，然后迭代该key处的Entry链表（我们暂且理解为链表），若该链表中存在一个这个的key对象，那么就直接替换其value值即可，否则在将改key-value节点插入该index索引位置处。如下：
首先我们假设一个容量为5的table，存在8、10、13、16、17、21。他们在table中位置如下：
然后我们插入一个数：put(16,22)，key=16在table的索引位置为1，同时在1索引位置有两个数，程序对该“链表”进行迭代，发现存在一个key=16,这时要做的工作就是用newValue=22替换oldValue16，并将oldValue=16返回。
在put(33,33)，key=33所在的索引位置为3，并且在该链表中也没有存在某个key=33的节点，所以就将该节点插入该链表的第一个位置。
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
/*
*用数组长度对key的hash值进行取模运算，得到key对应数组的某一个位置
*再对以这个数组元素为头结点的链表进行遍历
*/
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果HahMap中有key的存在，就将新的value替换旧的value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
//这个方法没有做任何操作
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
//将新添加的key—value放在table[i]的位置
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}addEntry方法
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//先比较size和边界值的大小
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
//如果当size大于等于边界值的时候，会对数组进行2倍扩容
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
//从新计算key-value存放到数组的地方
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
//将新加入的key-value放入到数组中
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}//将新加入的key-value放到table的数组中，再将新加入的Entry的next指向数组原来的位置的值，这样就形成了链表
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}resize方法，对数组进行扩容
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
boolean oldAltHashing = useAltHashing;
useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() &&
(newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;
transfer(newTable, rehash);
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}transfer方法，从新计算原来数组的元素在新数组元素中的位置
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
//遍历table数组
for (Entry<K,V> e : table) {
//遍历以数组元素为头结点的链表
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
//从新计算e在新数组的位置
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
//e的next指向原先newTable[i]
e.next = newTable[i];
//将e放入数组先的位置
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}总结一下HashMap的存值的过程
1.首先定位key对应数组中的某一个位置
2.在遍历一下以这个位置的元素为表头的链表
3.查看这个链表中是否有同样的key值
3.1 如果有，就用的新的value替换旧的value，到此就结束了
3.2如果没有，就将新的key-value放入到数组中
4.如果要放到数组中，首先会判断HashMap存储的值得个数是否大于等于边界值
4.1 如果大于边界值，会对数组进行2倍扩容，扩容后会重新计算以前HashMap在新的数组中的位置
5.将新加入的Entry放入到根据对数组相应的位置上，再让Entry的next属性指向原来的数组元素
四.总结
HashMap的数据结构就是由一个数组和多个链表组成的，数组和链表中存储的元素是Entry对象，Entry中有key，value，next，hashCode这几个属性，我们向HashMap中存放key-valu的其实是存入到了Entry对象中了。
HashMap是对key的hashcode进行hash计算得到一个hash值，再用这个hash值与数组长度减一进行于运算，得出key存在数组中的某一个位置，如果数组的这个位置已经有值了，这就产生了所谓的hash冲突，HashMap会将新加入的Entry放在数组中，并让Entry的next指向以前的数组元素，这样就在这里产生了链表。
在新加入元素的时候，当HashMap存储值的个数即size大于或等于边界值的时候，就会对数组进行2倍扩容，这里就是HashMap比较消耗新能的地方了，因为扩容后不仅要遍历整个HashMap，而且还要重新计算每个元素在新的数组中的位置。所以我们在初始化HashMap的时候可以指定数组的大小，尽量减少数组扩容。
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