HashMap源码分析（基于JDK1.8）

1.HashMap概述

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。看它的定义源码：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
HashMap 的实现不是同步的，这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。此外，HashMap中的映射不是有序的。

HashMap的结构可抽象化数组和链表（树）的结合，数组中每个元素看作一个“桶”，每个桶里是链表的结构，在链表达到一定长度后，转换为树结构；

HashMap 的实例有两个参数影响其性能：“初始容量” 和 “加载因子”。容量 是哈希表中桶的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。
通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。

2.HashMap构造函数

以下来源于API：

// 构造一个空的 HashMap ，默认初始容量（16）和默认负载系数（0.75）。  
HashMap()

//  构造一个空的 HashMap具有指定的初始容量和默认负载因子（0.75）。 
HashMap(int initialCapacity)

// 构造一个空的 HashMap具有指定的初始容量和负载因子。 
HashMap(int capacity, float loadFactor)

// 构造一个新的 HashMap与指定的相同的映射 Map 
HashMap(Map<? extends K, ? extends V> map)

3.HashMap常用方法

void                 clear()
Object               clone()
boolean              containsKey(Object key)
boolean              containsValue(Object value)
Set<Entry<K, V>>     entrySet()
V                    get(Object key)
boolean              isEmpty()
Set<K>               keySet()
V                    put(K key, V value)
void                 putAll(Map<? extends K, ? extends V> map)
V                    remove(Object key)
int                  size()
Collection<V>        values()

4.HashMap源码主要参数介绍

(01) HashMap继承于AbstractMap类，实现了Map接口。Map是"key-value键值对"接口，AbstractMap实现了"键值对"的通用函数接口。

(02) HashMap是通过"拉链法"实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量：table, size, threshold, loadFactor, modCount。

• table是一个Entry[]数组类型，而Entry实际上就是一个单向链表。 哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。
• size是HashMap的大小，它是HashMap保存的键值对的数量。
• threshold是HashMap的阈值，用于判断是否需要调整HashMap的容量。threshold的值=“容量*加载因子”，当HashMap中存储数据的数量达到threshold时，就需要将HashMap的容量加倍。
• loadFactor就是加载因子。
• modCount是用来实现fail-fast机制的。

在详细介绍HashMap的代码之前，我们需要了解：HashMap就是一个散列表，它是通过“拉链法”解决哈希冲突的。 还需要再补充说明的一点是影响HashMap性能的有两个参数：初始容量(initialCapacity) 和加载因子(loadFactor)。容量 是哈希表中桶的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。加载因子 是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。

5.内部结构详解

1.HashMap桶结构--------数据存储数组

在JDK1.6，JDK1.7中，HashMap采用位桶+链表实现，即使用链表处理冲突， 同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，HashMap采用位桶+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

首先有一个每个元素都是链表（可能表述不准确）的数组，当添加一个元素（key-value）时，就首先计算元素key的hash值，以此确定插入数组中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了，这时就添加到同一hash值的元素的后面，他们在数组的同一位置，但是形成了链表，同一各链表上的Hash值是相同的，所以说数组存放的是链表。而当链表长度太长时，链表就转换为红黑树，这样大大提高了查找的效率。

HashMap的桶结构就是下面这个定义： 可见table就是一个数组，元素为链表形式

    transient Node<K,V>[] table;

下面来看看Node（链表）的定义：

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }

2.put方法

方法功能：将指定的值与此映射中的指定键相关联。 如果地图先前包含了该键的映射，则替换旧值。
HashMap允许传入null的键值对 ，HashMap以null作为key时，总是存储在table数组的第一个节点上。 ⭐

来到put方法的源码：

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

put方法中又调用了putVal方法，主要的实现都在putVal方法中，看一下putVal方法源码：

 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,  
                   boolean evict) {  
        Node<K,V>[] tab;   
    Node<K,V> p;   
    int n, i;  
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)  
            n = (tab = resize()).length;  
    /*如果table的在（n-1）&hash的值是空，就新建一个节点插入在该位置*/  
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)  
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);  
    /*表示有冲突,开始处理冲突*/  
        else {  
            Node<K,V> e;   
        K k;  
    /*检查第一个Node，p是不是要找的值*/  
            if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
                e = p;  
            else if (p instanceof TreeNode)  
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);  
            else {  
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {  
        /*指针为空就挂在后面*/  
                    if ((e = p.next) == null) {  
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);  
               //如果冲突的节点数已经达到8个，看是否需要改变冲突节点的存储结构，　　　　　　　　　　　　　  
　　　　　　　　　　　　//treeifyBin首先判断当前hashMap的长度，如果不足64，只进行  
                        //resize，扩容table，如果达到64，那么将冲突的存储结构为红黑树  
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  
                            treeifyBin(tab, hash);  
                        break;  
                    }  
        /*如果有相同的key值就结束遍历*/  
                    if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
                        break;  
                    p = e;  
                }  
            }  
    /*就是链表上有相同的key值*/  
            if (e != null) { // existing mapping for key，就是key的Value存在  
                V oldValue = e.value;  
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)  
                    e.value = value;  
                afterNodeAccess(e);  
                return oldValue;//返回存在的Value值  
            }  
        }  
        ++modCount;  
     /*如果当前大小大于门限，门限原本是初始容量*0.75*/  
        if (++size > threshold)  
            resize();//扩容两倍  
        afterNodeInsertion(evict);  
        return null;  
    }

这是jdk1.8下的源代码，其中的注释是我添上去的，以便于理解；

下面简单说下添加键值对put(key,value)的过程：
1，判断键值对数组tab[]是否为空或为null，否则以默认大小resize()；
2，根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果tab[i]==null，直接新建节点添加，否则转入3
3，判断当前数组中处理hash冲突的方式为链表还是红黑树(check第一个节点类型即可),分别处理

3.get方法

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

可以看到又调用了getNode方法，这个方法才是关键，下面来看看这个方法：

    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {  
        Node<K,V>[] tab;//Entry对象数组  
    Node<K,V> first,e; //在tab数组中经过散列的第一个位置  
    int n;  
    K k;  
    /*找到插入的第一个Node，方法是hash值和n-1相与，tab[(n - 1) & hash]*/  
    //也就是说在一条链上的hash值相同的  
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {  
    /*检查第一个Node是不是要找的Node*/  
            if (first.hash == hash && // always check first node  
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//判断条件是hash值要相同，key值要相同  
                return first;  
      /*检查first后面的node*/  
            if ((e = first.next) != null) {  
                if (first instanceof TreeNode)  
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);  
                /*遍历后面的链表，找到key值和hash值都相同的Node*/  
                do {  
                    if (e.hash == hash &&  
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
                        return e;  
                } while ((e = e.next) != null);  
            }  
        }  
        return null;  
    }

get(key)方法时获取key的hash值，计算hash&(n-1)得到在链表数组中的位置first=tab[hash&(n-1)],先判断first的key是否与参数key相等，不等就遍历后面的链表找到相同的key值返回对应的Value值即可 ；

4.resize()方法 （扩容方法）

我们要知道，当当前桶的数量达到阈值值，就得扩容，扩容操作中会将原有数据重新添加到扩容后得结构中，所以扩容很耗时，是开销得主要来源；

   final Node<K,V>[] resize() {  
       Node<K,V>[] oldTab = table;  
       int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;  
       int oldThr = threshold;  
       int newCap, newThr = 0;  
      
/*如果旧表的长度不是空*/  
       if (oldCap > 0) {  
           if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {  
               threshold = Integer.MAX_VALUE;  
               return oldTab;  
           }  
/*把新表的长度设置为旧表长度的两倍，newCap=2*oldCap*/  
           else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&  
                    oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)  
      /*把新表的门限设置为旧表门限的两倍，newThr=oldThr*2*/  
               newThr = oldThr << 1; // double threshold  
       }  
    /*如果旧表的长度的是0，就是说第一次初始化表*/  
       else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold  
           newCap = oldThr;  
       else {               // zero initial threshold signifies using defaults  
           newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;  
           newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);  
       }  
      
      
      
       if (newThr == 0) {  
           float ft = (float)newCap * loadFactor;//新表长度乘以加载因子  
           newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?  
                     (int)ft : Integer.MAX_VALUE);  
       }  
       threshold = newThr;  
       @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})  
/*下面开始构造新表，初始化表中的数据*/  
       Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];  
       table = newTab;//把新表赋值给table  
       if (oldTab != null) {//原表不是空要把原表中数据移动到新表中      
           /*遍历原来的旧表*/        
           for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {  
               Node<K,V> e;  
               if ((e = oldTab[j]) != null) {  
                   oldTab[j] = null;  
                   if (e.next == null)//说明这个node没有链表直接放在新表的e.hash & (newCap - 1)位置  
                       newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;  
                   else if (e instanceof TreeNode)  
                       ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);  
/*如果e后边有链表,到这里表示e后面带着个单链表，需要遍历单链表，将每个结点重*/  
                   else { // preserve order保证顺序  
                ////新计算在新表的位置，并进行搬运  
                       Node<K,V> loHead = null, loTail = null;  
                       Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;  
                       Node<K,V> next;  
                      
                       do {  
                           next = e.next;//记录下一个结点  
          //新表是旧表的两倍容量，实例上就把单链表拆分为两队，  
　　　　　　　　　　　　　//e.hash&oldCap为偶数一队，e.hash&oldCap为奇数一对  
                           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) {//lo队不为null，放在新表原位置  
                           loTail.next = null;  
                           newTab[j] = loHead;  
                       }  
                       if (hiTail != null) {//hi队不为null，放在新表j+oldCap位置  
                           hiTail.next = null;  
                           newTab[j + oldCap] = hiHead;  
                       }  
                   }  
               }  
           }  
       }  
       return newTab;  
   }