HashMap的实现原理

一。HashMap的数据结构
   数据结构中有数组和链表来实现对数据的存储，但这两者基本上是两个极端。
   数组：数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；
   链表：链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。
   哈希表：那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表。
                  哈希表（(Hash table）既满足了数据的查找方便，同时不占用太多的内容空间，使用也十分方便。
   
         0 --> 496 --> 896
 1 --> 1 --> 337 --> 353
 2 -->
 3 -->
 4 -->
 5 -->
 6 -->
 7 -->
 8 -->
 9 --> 184
10 -->
11 -->
12 --> 12 --> 28 --> 108 --> 140 
13 -->
14 -->
15 -->  
   
   从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。
   一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。
   比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以key的哈希值为12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。


   
   
   
二。HashMap的存取实现(HashMap其实也是一个线性的数组实现的, 一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？)


  1.首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry
    就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。 

    /**
     * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
     */
    transient Entry[] table;

  2.存储及取值的小算法：
    

    // 存储时:
    int hash = key.hashCode(); // 这个hashCode方法这里不详述,只要理解每个key的hash是一个固定的int值
    int index = hash % Entry[].length;
    Entry[index] = value;
    // 取值时:
    int hash = key.hashCode();
    int index = hash % Entry[].length;
    return Entry[index];

  3.put方法源码
    疑问：如果两个key通过hash%Entry[].length得到的index相同，会不会有覆盖的危险？
　　这里HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

	public V put(K key, V value) {
			if (key == null)
				return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中
			int hash = hash(key.hashCode());
			int i = indexFor(hash, table.length);
			//遍历链表
			for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
				Object k;
				//如果key在链表中已存在，则替换为新value
				if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
					V oldValue = e.value;
					e.value = value;
					e.recordAccess(this);
					return oldValue;
				}
			}
			modCount++;
			addEntry(hash, key, value, i);
			return null;
	}
    //先取出对应位置上的原Entry，把对应位置放入最新的Entry，新Entry的next指向原Entry(为空就指向空）
	void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
		Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
		table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //参数e, 是Entry.next
		//如果size超过threshold，则扩充table大小。再散列
		if (size++ >= threshold)
				resize(2 * table.length);
	}

   
   4.get方法源码

     //会遍历key的hash码计算对应的table位置上的链表，因为可能多个key的位置一样，找到要寻找的key返回值。
     public V get(Object key) {
			if (key == null)
				return getForNullKey();
			int hash = hash(key.hashCode());
			//先定位到数组元素，再遍历该元素处的链表
			for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
				 e != null;
				 e = e.next) {
				Object k;
				if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
					return e.value;
			}
			return null;
	}

  4.null key的存取

    //null key总是存放在Entry[]数组的第一个元素。 
    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    } 
    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.确定数组index：hashcode % table.length取模
    HashMap存取时，都需要计算当前key应该对应Entry[]数组哪个元素，即计算数组下标；算法如下： 

    /**
     * Returns index for hash code h.
     */
    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

    按位取并，作用上相当于取模mod或者取余%。
    这意味着数组下标相同，并不表示hashCode相同。


  6.table初始大小 

	public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
		.....
		// Find a power of 2 >= initialCapacity
		int capacity = 1;
		while (capacity < initialCapacity)
			capacity <<= 1;
		this.loadFactor = loadFactor;
		threshold = (int)(capacity * loadFactor);
		table = new Entry[capacity];
		init();
	} 
	注意table初始大小并不是构造函数中的initialCapacity！！ 而是 >= initialCapacity的2的n次幂！！！！

 


三。再散列rehash过程


   当哈希表的容量超过默认容量时，必须调整table的大小,这时，需要创建一张新表，将原表的映射到新表中。(当容量已经达到最大可能值时，那么该方法就将容量调整到Integer.MAX_VALUE返回)
   因为新的table变大了，因此原来table上的元素在新table中的位置需要重新计算，所以称为再散列。
  

 /**
     * This method is called automatically when the
     * number of keys in this map reaches its threshold. 
     */
    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];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }
 
    /**
     * Transfers all entries from current table to newTable.
     */
    void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    //重新计算index
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
					//加上此句是为了相同位置entry形成链表，先把要放入位置的entry设置为自己的next，然后在位置上放入e
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }