深入探究HashMap的实现原理
1.绪论
在Java数据结构中HashMap的实现，是相对复杂一点的了，其在Java数据结构中比较有代表性的了，面试中凡是问到Java数据结构，HashMap会被反复的问到，由此也可以看出，它是Java数据结构中比较重要的知识点。我们有必要掌握它的原理。本文不仅会讲到HashMap的基础原理，也会讲到HashMap在jdk1.8中引入的新特性，同时会扩展ConcurrentHashMap。
2.HashMap介绍
HashMap基于哈希表的 Map 接口的实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。除了非同步和允许使用 null 之外，HashMap 类与 Hashtable 大致相同。此类不保证映射的顺序。
HashMap 的实例有两个参数影响其性能：初始容量和负载因子。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。负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 (0.75) 在时间和空间成本上寻求一种折中。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。
如果很多映射关系要存储在 HashMap 实例中，则相对于按需执行自动的 rehash 操作以增大表的容量来说，使用足够大的初始容量创建它将使得映射关系能更有效地存储。
3.理解哈希表（hashtable）
哈希表（Hash table，也叫散列表），是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。
哈希表hashtable(key，value) 的做法其实很简单，就是把Key通过一个固定的算法函数既所谓的哈希函数转换成一个整型数字，然后就将该数字对数组长度进行取余，取余结果就当作数组的下标，将value存储在以该数字为下标的数组空间里。 而当使用哈希表进行查询的时候，就是再次使用哈希函数将key转换为对应的数组下标，并定位到该空间获取value，如此一来，就可以充分利用到数组的定位性能进行数据定位。 HASH主要用于信息安全领域中加密算法，它把一些不同长度的信息转化成杂乱的128位的编码,这些编码值叫做HASH值. 也可以说，hash就是找到一种数据内容和数据存放地址之间的映射关系。数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；而链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。
简单的理解，哈希表就是一个数组，下标是通过哈希算法计算出的一个整数，value就是我们需要保存的值，HashMap实际上也是哈希表，只是为了解决下标的冲突，它做了一些很好的处理。
4.HashMap实现原理
HashMap基于hashing原理，我们通过put()和get()方法储存和获取对象。当我们将键值对传递给put()方法时，它调用键对象的hashCode()方法来计算hashcode，让后找到bucket位置来储存值对象。当获取对象时，通过键对象的equals()方法找到正确的键值对，然后返回值对象。HashMap使用LinkedList来解决碰撞问题，当发生碰撞了，对象将会储存在LinkedList的下一个节点中。 HashMap在每个LinkedList节点中储存键值对对象。
当两个不同的键对象的hashcode相同时，它们会储存在同一个bucket位置的LinkedList中。键对象的equals()方法用来找到键值对。
/** Entry是单向链表。
* 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。
*它实现了Map.Entry 接口，即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数
**/
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
// 指向下一个节点
Entry<K,V> next;
final int hash;
// 构造函数。
// 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"
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;
}
// 判断两个Entry是否相等
// 若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true。
// 否则，返回false
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;
}
// 实现hashCode()
public final int hashCode() {
return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^
(value==null ? 0 : value.hashCode());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
// 当向HashMap中添加元素时，绘调用recordAccess()。
// 这里不做任何处理
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
// 当从HashMap中删除元素时，绘调用recordRemoval()。
// 这里不做任何处理
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}让我们现再看看一些重要的属性：
transient Entry[] table;//存储元素的实体数组
transient int size;//存放元素的个数
int threshold; //临界值 当实际大小超过临界值时，会进行扩容threshold = 加载因子*容量
final float loadFactor; //加载因子
transient int modCount;//被修改的次数关于HashMap的几个构造方法：
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//确保数字合法
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; //初始容量
while (capacity < initialCapacity) //确保容量为2的n次幂，使capacity为大于initialCapacity的最小的2的n次幂
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}HashMap存储数据：
HashMap用到了一个重要的内部接口：Map.Entry，每个 Map.Entry 其实就是一个 key-value 对。当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时，完全没有考虑 Entry 中的 value，仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可。
public V put(K key, V value) {
// 若“key为null”，则将该键值对添加到table[0]中。
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 若“key不为null”，则计算该key的哈希值，然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
int hash = hash(key.hashCode());
//搜索指定hash值在对应table中的索引
int i = indexFor(hash, table.length);
// 循环遍历Entry数组,若“该key”对应的键值对已经存在，则用新的value取代旧的value。然后退出！
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { //如果key相同则覆盖并返回旧值
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
//修改次数+1
modCount++;
//将key-value添加到table[i]处
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}putForNullKey(value)方法：
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) { //如果有key为null的对象存在，则覆盖掉
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0); //如果键为null的话，则hash值为0
return null;
}再看看put方法，它是通过key的hashCode值计算hash码，下面是计算hash码的函数：
//计算hash值的方法 通过键的hashCode来计算
static int hash(int h) {
// 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);
}得到hash码之后就会通过hash码去计算出应该存储在数组中的索引，计算索引的函数如下：
static int indexFor(int h, int length) { //根据hash值和数组长度算出索引值
return h & (length-1); //这里不能随便算取，用hash&(length-1)是有原因的，这样可以确保算出来的索引是在数组大小范围内，不会超出
}根据 put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value，但key不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明看 addEntry() 方法。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; //如果要加入的位置有值，将该位置原先的值设置为新entry的next,也就是新entry链表的下一个节点
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold) //如果大于临界值就扩容
resize(2 * table.length); //以2的倍数扩容
}参数bucketIndex就是indexFor函数计算出来的索引值，第2行代码是取得数组中索引为bucketIndex的Entry对象，第3行就是用hash、key、value构建一个新的Entry对象放到索引为bucketIndex的位置，并且将该位置原先的对象设置为新对象的next构成链表。第4行和第5行就是判断put后size是否达到了临界值threshold，如果达到了临界值就要进行扩容，HashMap扩容是扩为原来的两倍。
调整大小:
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);//用来将原先table的元素全部移到newTable里面
table = newTable; //再将newTable赋值给table
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//重新计算临界值
}数据读取:
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
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;
}5.HashMap的数据结构
无论多复杂的数据结构，它都是由数组和链表（模拟指针，即引用）来实现的。所以HashMap也不例外，它是数据+链表的结构。在Jkd1.8中，对HashMap做了一个优化，引入了红黑树HashMap的底层主要是基于数组和链表来实现的，它之所以有相当快的查询速度主要是因为它是通过计算散列码来决定存储的位置。HashMap中主要是通过key的hashCode来计算hash值的，只要hashCode相同，计算出来的hash值就一样。如果存储的对象对多了，就有可能不同的对象所算出来的hash值是相同的，这就出现了所谓的hash冲突。学过数据结构的同学都知道，解决hash冲突的方法有很多，HashMap底层是通过链表来解决hash冲突的。
上图简单的描述的HashMap的数据结构。上图的这个圆圈代表一个Entry，在Entry里面，存着key,value。在java8中当Map的长度大于64，以及链表的长度大于8时，此时，在java8中，就会用红黑树来代替原来的链表。Java8引入红黑树后，在插入的时候慢了点，但是在查询和删除的时候，效率明显比原来的链表快。
当一个对象要存在hashMap中是，首先hashMap会调用其hashCode方法，得到一个hashCode，这个hashCode由机器随机生成，然后hashMap通过哈希算法，再转成数组的下标，hashMap的初始容量是16，所以，无论你的hashCode写的有多完美，当转成数组的下标的时候，发生碰撞的情况，是不可避免的。当HashMap的容量大于本身的0.75的时候，HashMap会发生扩容。0.75即为HashMap的加载因子。
6.ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap位于java.util.concurrent。并发编程实践中，ConcurrentHashMap是一个经常被使用的数据结构，相比于Hashtable以及Collections.synchronizedMap()，ConcurrentHashMap在线程安全的基础上提供了更好的写并发能力，但同时降低了对读一致性的要求（很像CAP理论）。ConcurrentHashMap的设计与实现非常精巧，大量的利用了volatile，final，CAS等lock-free技术来减少锁竞争对于性能的影响，无论对于Java并发编程的学习还是Java内存模型的理解，ConcurrentHashMap的设计以及源码都值得非常仔细的阅读与揣摩。
6.1设计思路
ConcurrentHashMap采用了分段锁的设计，只有在同一个分段内才存在竞态关系，不同的分段锁之间没有锁竞争。相比于对整个Map加锁的设计，分段锁大大的提高了高并发环境下的处理能力。但同时，由于不是对整个Map加锁，导致一些需要扫描整个Map的方法（如size(), containsValue()）需要使用特殊的实现，另外一些方法（如clear()）甚至放弃了对一致性的要求（ConcurrentHashMap是弱一致性的）。
ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）。ConcurrentHashMap中的HashEntry相对于HashMap中的Entry有一定的差异性：HashEntry中的value以及next都被volatile修饰，这样在多线程读写过程中能够保持它们的可见性，代码如下：
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;6.2并发度（Concurrency Level）
并发度可以理解为程序运行时能够同时更新ConccurentHashMap且不产生锁竞争的最大线程数，实际上就是ConcurrentHashMap中的分段锁个数，即Segment[]的数组长度。ConcurrentHashMap默认的并发度为16，但用户也可以在构造函数中设置并发度。当用户设置并发度时，ConcurrentHashMap会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度（假如用户设置并发度为17，实际并发度则为32）。运行时通过将key的高n位（n = 32 – segmentShift）和并发度减1（segmentMask）做位与运算定位到所在的Segment。segmentShift与segmentMask都是在构造过程中根据concurrency level被相应的计算出来。
如果并发度设置的过小，会带来严重的锁竞争问题；如果并发度设置的过大，原本位于同一个Segment内的访问会扩散到不同的Segment中，CPU cache命中率会下降，从而引起程序性能下降。
6.3 创建分段锁
和JDK6不同，JDK7中除了第一个Segment之外，剩余的Segments采用的是延迟初始化的机制：每次put之前都需要检查key对应的Segment是否为null，如果是则调用ensureSegment()以确保对应的Segment被创建。
ensureSegment可能在并发环境下被调用，但与想象中不同，ensureSegment并未使用锁来控制竞争，而是使用了Unsafe对象的getObjectVolatile()提供的原子读语义结合CAS来确保Segment创建的原子性。代码段如下：
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) { // recheck
Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
break;
}
}6.5 rehash
相对于HashMap的resize，ConcurrentHashMap的rehash原理类似，但是Doug Lea为rehash做了一定的优化，避免让所有的节点都进行复制操作：由于扩容是基于2的幂指来操作，假设扩容前某HashEntry对应到Segment中数组的index为i，数组的容量为capacity，那么扩容后该HashEntry对应到新数组中的index只可能为i或者i+capacity，因此大多数HashEntry节点在扩容前后index可以保持不变。基于此，rehash方法中会定位第一个后续所有节点在扩容后index都保持不变的节点，然后将这个节点之前的所有节点重排即可。这部分代码如下：
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
int newCapacity = oldCapacity << 1;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
HashEntry<K,V>[] newTable =
(HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
int sizeMask = newCapacity - 1;
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // Single node on list
newTable[idx] = e;
else { // Reuse consecutive sequence at same slot
HashEntry<K,V> lastRun = e;
int lastIdx = idx;
for (HashEntry<K,V> last = next;
last != null;
last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
newTable[lastIdx] = lastRun;
// Clone remaining nodes
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask;
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;
}6.6 get与containsKey
get与containsKey两个方法几乎完全一致：他们都没有使用锁，而是通过Unsafe对象的getObjectVolatile()方法提供的原子读语义，来获得Segment以及对应的链表，然后对链表遍历判断是否存在key相同的节点以及获得该节点的value。但由于遍历过程中其他线程可能对链表结构做了调整，因此get和containsKey返回的可能是过时的数据，这一点是ConcurrentHashMap在弱一致性上的体现。如果要求强一致性，那么必须使用Collections.synchronizedMap()方法。
6.7 size、containsValue
这些方法都是基于整个ConcurrentHashMap来进行操作的，他们的原理也基本类似：首先不加锁循环执行以下操作：循环所有的Segment（通过Unsafe的getObjectVolatile()以保证原子读语义），获得对应的值以及所有Segment的modcount之和。如果连续两次所有Segment的modcount和相等，则过程中没有发生其他线程修改ConcurrentHashMap的情况，返回获得的值。
当循环次数超过预定义的值时，这时需要对所有的Segment依次进行加锁，获取返回值后再依次解锁。值得注意的是，加锁过程中要强制创建所有的Segment，否则容易出现其他线程创建Segment并进行put，remove等操作。代码如下：
for(int j =0; j < segments.length; ++j)
ensureSegment(j).lock();// force creation一般来说，应该避免在多线程环境下使用size和containsValue方法。
6.8 JDK8中的实现
ConcurrentHashMap在JDK8中进行了巨大改动，它摒弃了Segment（锁段）的概念，而是启用了一种全新的方式实现,利用CAS算法。它沿用了与它同时期的HashMap版本的思想，底层依然由“数组”+链表+红黑树的方式思想(JDK7与JDK8中HashMap的实现)，但是为了做到并发，又增加了很多辅助的类，例如TreeBin，Traverser等对象内部类。