HashMap 底层原理

HashMap 底层原理

HashMap 是 Java 中常用的基于哈希表实现的键值对存储结构。其底层实现主要依赖于数组、链表和红黑树（JDK 1.8 引入）。

数据结构

HashMap 内部使用一个 Node<K,V>[] 数组（称为桶数组）存储键值对。每个 Node 包含键、值、哈希值和指向下一个节点的指针（用于链表或红黑树）。

• 默认初始容量为 16，负载因子为 0.75（当元素数量超过容量 × 负载因子时触发扩容）。
• JDK 1.8 后，当链表长度超过 8 且桶数组长度 ≥ 64 时，链表会转换为红黑树以提高查询效率。

哈希计算

HashMap 通过键的 hashCode() 方法计算哈希值，再通过扰动函数（异或和高位运算）减少哈希冲突：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

插入逻辑

1. 计算键的哈希值，通过 (n - 1) & hash 确定桶位置（n 为数组长度）。
2. 若该位置为空，直接插入新节点。
3. 若发生哈希冲突：
   • 如果是链表，遍历链表比较键是否已存在（equals 方法），存在则更新值，否则添加到链表尾部。
   • 如果是红黑树，调用树节点的插入方法。
4. 插入后检查是否需要扩容或树化。

扩容机制

当元素数量超过阈值（容量 × 负载因子）时，HashMap 会扩容为原来的 2 倍：

1. 创建新数组，容量为旧数组的 2 倍。
2. 重新计算所有节点的位置（(e.hash & oldCap) == 0 判断是否留在原位置或移动到 原索引 + oldCap 的位置）。

线程安全性

HashMap 非线程安全，多线程环境下可能导致数据不一致或死循环（JDK 1.7 链表扩容时）。线程安全替代方案：

• ConcurrentHashMap：分段锁或 CAS 机制。
• Collections.synchronizedMap：包装为同步容器。

JDK 1.8 优化

1. 链表长度超过 8 且数组长度 ≥ 64 时转为红黑树，查询效率从 O(n) 提升至 O(log n)。
2. 扩容时优化了节点重新分配的逻辑，避免重新计算哈希值。

关键点总结

• 哈希冲突通过链表或红黑树解决。
• 扩容触发条件与负载因子紧密相关。
• 红黑树优化了极端情况下的性能问题。