关于HashMap，你想知道的可能都有

在现在的互联网大厂面试中，HashMap几乎是必问的知识点。因此本文对HashMap进行系统性的总结，将HashMap常见的知识点都整理出来。

前面铺垫了两篇红黑树的文章，终于进入这篇HashMap了。如果有不知道什么是红黑树的同学，先去看一下我前面讲红黑树的文章。
本科数据结构课程的漏网之鱼-红黑树（上）
本科数据结构课程的漏网之鱼-红黑树（下）

简介

相信大家之前或多或少都接触过HashMap，这是一种用来存放键值对的数据结构。它实现了Map接口，是最常用的Java容器之一。在JDK7及之前版本中，HashMap实现方式都是通过数组+链表，而JDK8开始，HashMap底层通过数组+链表+红黑树的数据结构实现。下面就将开始详细介绍这部分内容。

底层数据结构

在JDK7及之前的版本中，HashMap都是通过数组+链表实现的，大致结构如下图。

然而这种数据结构有一定局限性，当某个链表特别长的话，搜索效率就大大降低，因此，JDK8中引入了红黑树，目的就是减少查找次数。当链表长度大于阈值（默认为8）时，就会转换成红黑树。

在JDK7中，插入结点都叫Entry，这结构就是散列表中常见的“拉链法”。而在JDK8中，结点变成了Node。

插入结点

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

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

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;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        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) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

上面是JDK8中截取的插入结点的核心源码，我们一步一步分解上面的源码。首先看到put方法里面对key进行了一次hash运算，传入到putVal中帮助计算下标值，接着往下看putVal方法。

Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;

tab是数组名，p是待插入结点，n是数组长度，这就很明朗了。如果是空数组，那么会进入这个判断语句中，此时tab被resize方法赋值后，取tab的长度给n。这里先不展开介绍resize方法，只需知道tab被赋的初始长度是16。接着往下看。

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

上面这段代码就有意思了，重点在(n - 1) & hash。我们前面说到hash是通过hash(key)计算得到的，这里和n-1进行按位与运算实际上等同于hash % n。在HashMap中，数组的长度n一定是2的幂。以n=16为例，n-1的值就是15。我们随便写一个hash值与15进行按位与运算，如下图。

我们可以发现15的二进制只有后四位是1，前面全部都是0，进行按位与运算后的结果只与hash的后四位相关，前面全部都是0，也就验证了我们前面所说的(n - 1) & hash等效于hash % n，并由此计算出数组下标值i。很显然如果在数组中下表为i的位置为空，就创建一个新结点放入数组中。

继续往下看是一个else语句，也就是数组的下标i位置已经有值了，我们需要解决hash冲突。

Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
    e = p;

上面这段代码描述了存入一个已存在的key值将会将原来的结点替换成新的结点。

else if (p instanceof TreeNode)
    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

这段代码是指如果当前这个下标的结点是红黑树结点，那么就按照红黑树的插入方式插入结点。

else {
    for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        if ((e = p.next) == null) {
            p.next = newNode(hash, key, value, null);
            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                treeifyBin(tab, hash);
            break;
        }
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            break;
        p = e;
    }
}

还剩这一种情况就是当结点是链表结点时，顺着链表从头开始往后找，如果找到最后没有相同key值的结点，就将结点插到链表末尾，插入后大于等于8个结点，就把链表转成红黑树；如果在链表中找到了key相同的结点，就替换原来的结点。在JDK8中，插入链表的方式是采用尾插法，而在JDK7中是采用头插法。而在多线程环境下，头插法有可能会出现环形链表。

但是这并不意味着使用尾插法在多线程环境下就是安全的，因为put/get方法没有加同步锁，因此无法确保线程安全。

if (e != null) { // existing mapping for key
    V oldValue = e.value;
    if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
        e.value = value;
    afterNodeAccess(e);
    return oldValue;
}

这段代码用于替换结点后返回原结点的值。

++modCount;
if (++size > threshold)
    resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;

最后这段代码主要用于收尾，修改次数+1，如果键值对个数超过了阈值就进行扩容。

扩容机制

当HashMap中键值对个数超过了阈值时，就会启动扩容机制，而这里的所谓“阈值”指的就是数组长度与负载因子的乘积。扩容机制的核心源码是通过resize方法实现的，前面我们提到过这个方法，但是没有展开讲它的细节，我们这里讲一下具体的代码细节。

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    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;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        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) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

这段代码比之前的代码片段更长，我们还是一部分一部分地看。

Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;

这部分没什么好说的，oldTab就是扩容前的数组，oldCap和oldThr分别是扩容前的容量和扩容前的阈值，如果是之前没有存放过元素，那么这两个属性的初始值都是0，newCap和newThr是扩容后的数组长度和阈值。

if (oldCap > 0) {
    if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return oldTab;
    }
    else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
             oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
        newThr = oldThr << 1; // double threshold
}

这里就是扩容前数组容量大于0的情况下，如果扩容前的数组容量已经达到了最大限制，那么无法继续扩容，否则新数组容量是原来的两倍，若是扩容后的容量满足要求则阈值也变为原来的二倍。

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);
}

如果扩容前容量不大于0，而扩容前的阈值大于0，那么将新的容量设为旧的阈值。如果阈值和容量都不大于0（比如HashMap初始状态）那么将新的容量设置为16，新的阈值设置为12。

if (newThr == 0) {
    float ft = (float)newCap * loadFactor;
    newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
              (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}

这里就是给新阈值赋值，也没什么好说的。

threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;

这段代码就是为扩容以后做准备了，申请一段新的内存空间，赋值给数组。

最后一部分的代码比较长，我们说一下基本思路。遍历扩容前的所有结点，并对其进行ReHash。为什么要进行ReHash呢？我们回顾一下算出插入位置的方法：(n - 1) & hash(key)。数组长度变了，那么插入的位置自然也就变了，因此我们需要进行ReHash。

其它

线程安全

HashMap是线程不安全的，尽管JDK8改进了之前JDK7在多线程环境下可能出现循环链表的问题，但这并不意味着HashMap就线程安全了。常见的替代HashMap的线程安全方案有HashTable和ConcurrentHashMap两种集合，但是HashTable在并发能力方面并不理想，因此使用很少。

负载因子

为什么开发人员要把默认负载因子设置为0.75呢？因为根据泊松分布，使用0.75作为负载因子，链表元素达到8个是极小的概率。

本文地址：https://blog.csdn.net/qq_32273417/article/details/107208611