本文详细解析了HashMap的工作原理，包括其内部结构、存储与读取机制、扩容策略等，并探讨了负载因子对性能的影响。
JDK 源码
在 JDK 安装目录下可以找到一个 src.zip 压缩文件，该文件里包含了 Java 基础类库的所有源文件。只要读者有学习兴趣，随时可以打开这份压缩文件来阅读 Java 类库的源代码，这对提高读者的编程能力是非常有帮助的。需要指出的是：src.zip 中包含的源代码并没有包含像上文中的中文注释，这些注释是笔者自己添加进去的。
Hash 算法的性能选项
根据上面代码可以看出，在同一个 bucket 存储 Entry 链的情况下，新放入的 Entry 总是位于 bucket 中，而最早放入该 bucket 中的 Entry 则位于这个 Entry 链的最末端。
上面程序中还有这样两个变量：
* size：该变量保存了该 HashMap 中所包含的 key-value 对的数量。
* threshold：该变量包含了 HashMap 能容纳的 key-value 对的极限，它的值等于 HashMap 的容量乘以负载因子（load factor）。
从上面程序中②号代码可以看出，当 size++ >= threshold 时，HashMap 会自动调用 resize 方法扩充 HashMap 的容量。每扩充一次，HashMap 的容量就增大一倍。
上面程序中使用的 table 其实就是一个普通数组，每个数组都有一个固定的长度，这个数组的长度就是 HashMap 的容量。HashMap 包含如下几个构造器：
* HashMap（）：构建一个初始容量为 16，负载因子为 0.75 的 HashMap。
* HashMap（int initialCapacity）：构建一个初始容量为 initialCapacity，负载因子为 0.75 的 HashMap。
* HashMap（int initialCapacity, float loadFactor）：以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。
当创建一个 HashMap 时，系统会自动创建一个 table 数组来保存 HashMap 中的 Entry，下面是 HashMap 中一个构造器的代码：
Java代码
// 以指定初始化容量、负载因子创建 HashMap
public HashMap（int initialCapacity, float loadFactor）
{
// 初始容量不能为负数
if （initialCapacity < 0）
throw new IllegalArgumentException（
"Illegal initial capacity: " +
initialCapacity）；
// 如果初始容量大于最大容量，让出示容量
if （initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY）
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 负载因子必须大于 0 的数值
if （loadFactor <= 0 || Float.isNaN（loadFactor））
throw new IllegalArgumentException（
loadFactor）；
// 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
int capacity = 1;
while （capacity < initialCapacity）
capacity 《= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
// 设置容量极限等于容量 * 负载因子
threshold = （int）（capacity * loadFactor）；
// 初始化 table 数组
table = new Entry[capacity]; // ①
init（）；
}
上面代码中粗体字代码包含了一个简洁的代码实现：找出大于 initialCapacity 的、最小的 2 的 n 次方值，并将其作为 HashMap 的实际容量（由 capacity 变量保存）。例如给定 initialCapacity 为 10，那么该 HashMap 的实际容量就是 16。
程序①号代码处可以看到：table 的实质就是一个数组，一个长度为 capacity 的数组。
对于 HashMap 及其子类而言，它们采用 Hash 算法来决定集合中元素的存储位置。当系统开始初始化 HashMap 时，系统会创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组，这个数组里可以存储元素的位置被称为“桶（bucket）”，每个 bucket 都有其指定索引，系统可以根据其索引快速访问该 bucket 里存储的元素。
无论何时，HashMap 的每个“桶”只存储一个元素（也就是一个 Entry），由于 Entry 对象可以包含一个引用变量（就是 Entry 构造器的的最后一个参数）用于指向下一个 Entry，因此可能出现的情况是：HashMap 的 bucket 中只有一个 Entry，但这个 Entry 指向另一个 Entry ——这就形成了一个 Entry 链。如图 1 所示：
图 1. HashMap 的存储示意
HashMap 的读取实现
当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ——也就是没有通过指针产生 Entry 链时，此时的 HashMap 具有最好的性能：当程序通过 key 取出对应 value 时，系统只要先计算出该 key 的 hashCode（） 返回值，在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引，然后取出该索引处的 Entry，最后返回该 key 对应的 value 即可。看 HashMap 类的 get（K key） 方法代码：
Java代码
public V get（Object key）
{
// 如果 key 是 null，调用 getForNullKey 取出对应的 value
if （key == null）
return getForNullKey（）；
// 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
int hash = hash（key.hashCode（））；
// 直接取出 table 数组中指定索引处的值，
for （Entry<K,V> e = table[indexFor（hash, table.length）];
e != null;
// 搜索该 Entry 链的下一个 Entr
e = e.next） // ①
{
Object k;
// 如果该 Entry 的 key 与被搜索 key 相同
if （e.hash == hash && （（k = e.key） == key
|| key.equals（k）））
return e.value;
}
return null;
}
从上面代码中可以看出，如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时，HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry；在发生“Hash 冲突”的情况下，单个 bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），那系统必须循环到最后才能找到该元素。
归纳起来简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据 Hash 算法来决定其存储位置；当需要取出一个 Entry 时，也会根据 Hash 算法找到其存储位置，直接取出该 Entry。由此可见：HashMap 之所以能快速存、取它所包含的 Entry，完全类似于现实生活中母亲从小教我们的：不同的东西要放在不同的位置，需要时才能快速找到它。
当创建 HashMap 时，有一个默认的负载因子（load factor），其默认值为 0.75，这是时间和空间成本上一种折衷：增大负载因子可以减少 Hash 表（就是那个 Entry 数组）所占用的内存空间，但会增加查询数据的时间开销，而查询是最频繁的的操作（HashMap 的 get（） 与 put（） 方法都要用到查询）；减小负载因子会提高数据查询的性能，但会增加 Hash 表所占用的内存空间。
掌握了上面知识之后，我们可以在创建 HashMap 时根据实际需要适当地调整 load factor 的值；如果程序比较关心空间开销、内存比较紧张，可以适当地增加负载因子；如果程序比较关心时间开销，内存比较宽裕则可以适当的减少负载因子。通常情况下，程序员无需改变负载因子的值。
如果开始就知道 HashMap 会保存多个 key-value 对，可以在创建时就使用较大的初始化容量，如果 HashMap 中 Entry 的数量一直不会超过极限容量（capacity * load factor），HashMap 就无需调用 resize（） 方法重新分配 table 数组，从而保证较好的性能。当然，开始就将初始容量设置太高可能会浪费空间（系统需要创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组），因此创建 HashMap 时初始化容量设置也需要小心对待。
rn摘自包罗万象网( www.baoluowanxiang.com) 原文： http://www.baoluowanxiang.com/code/java/2012-03-21/309_2.html
扫一扫
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
