近期被问到HashMap的底层原理，当时没有理清楚，所以深入了解一下，参考各方资料和JAVA8的源码，详细解析如下：
HashMap是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。JAVA8中又引入了红黑树来提高性能。从网上找了一张图如下：
hashMap底层是一个数组，数组中的每一项又是一个链表或是红黑树，所以在我们新建一个hashMap的时候会创建一个数组。
HashMap源码解析
源码基于JAVA8。
类定义
首先看HashMap类的定义，它继承了AbstractMap类，实现了Map接口，元素是以<key,value>键值对的形式存储的。
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
tips：AbstractMap类是Map接口的子类，实现了Map接口大部分方法。
更多AbstractMap内容请看：http://blog.csdn.net/u011240877/article/details/52949046
https://www.jianshu.com/p/750c5b2124ca
常量
- DEFAULT_INITIAL_CAPACITY =16 默认容量，即Node数组的大小
- MAXIMUM_CAPACITY =1 << 30 最大容量
- DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f 默认负载因子
- TREEIFY_THRESHOLD=8 链表转换红黑树的阈值
- UNTREEIFY_THRESHOLD=6 红黑树转换链表的阈值
- MIN_TREEIFY_CAPACITY=64 最小hash容量，如果大于这个值会进行resize扩容操作，此值至少是TREEIFY_THRESHOLD的4倍。
transient成员变量
transient成员变量是不会被序列化的字段。
- Node<K,V>[] table：是HashMap内部类实现了Map的内部类Entry,用于存储Key，Value，第一次使用的时候被创建，根据需要可以进行resize。分配长度为2的冥次方。
- Set<Map.Entry<K,V>> entrySet：当被调用entrySet时被赋值。通过keySet()方法可以得到map key的集合，通过values方法可以得到map value的集合。
- int size：存放在map中K,V的总数
- int modCount：HashMap被结构性修改的次数。
- int threshold：进行resize的阈值，当Map中K,V数量超过了这个值，那将进行resize操作。它一般等于DEFAULT_INITIAL_CAPACITY*DEFAULT_LOAD_FACTOR
- final float loadFactor 负载因子
数据结构
之前说在JAVA7中HashMap的底层是数组+链表的结构，而在JAVA8中底层是数组+链表+红黑树的方式，当链表的长度超过某个特定的值（static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8）以后会将链表转化为红黑树，这种方式性能上更优。
这里的数组是一个Node数组，数组中的每一个Node是单项链表结构，它存放了键值对和下一个Node的引用。
transient Node<K,V>[] table;
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;
}
}
Node存储的位置
HashMap是按照Key的hash值来计算的Node的存储位置的，如果hash值相同，key不同，那么将采用链表的形式，来存储元素。例如：如果当前的位置是空的，那么就插入该Node，如果当前的位置已经有Node，那么新Node放到前面，旧Node放到后面（当前位置 - > new - > old）。
以下是hash的计算方式：通过hashCode()的高16位异或低16位实现。
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
HashMap的构造函数
initialCapacity：HashMap的底层数组长度，默认初始容量为 16。
loadFactor：负载因子衡量的是一个散列表的空间使用程度，散列表的实际元素数目(n)/ 散列表的容量(m)，默认为0.75
/*
以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
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);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/*
构建一个初始容量为 initialCapacity，负载因子为 0.75 的 HashMap
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
构建一个初始容量为 16，负载因子为 0.75 的 HashMap。
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/*
指定集合m，转化为HashMap
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
看源码，发现前三个构造方法并没有进行数组的初始化操作，所以此时HaspMap中存放的数组元素的table表长度依旧为0 。只有第四个构造方法进行了table的初始化操作，并将m中的元素添加到HashMap中。
HashMap的get value
get方法，首先得到key的hash值，然后通过计算hash&(n-1)来得到它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，相等就返回，不相等就遍历后面的树或者链表找到相同的key值并返回对应的Value。
更多详情看以下代码注释：
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
/*hash值和n-1相与,找到插入的第一个Node*/
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
/*判断第一个Node是不是要找的Node，只有hash值和key都相同的情况下返回第一个Node*/
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
/*不是第一个Node，继续往后面遍历*/
if ((e = first.next) != null) {
/*判断是不是树，如果是树，遍历树找到key值和hash值都相同的Node*/
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
/*否则，遍历链表找到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;
}
HashMap的put
put(K,V)方法首先会去判断table数组是否为空或size为0，如果是就以默认大小resize()；然后根据key计算hash值得到插入的数组位置，如果当前没有内容就直接新建节点添加，否则先判断当前数组中处理hash冲突的方式是链表还是红黑树再分别处理。
更多详情看以下代码注释：
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
/*tab被赋值于table，如果tab为空或size为0就初始化tab，并将初始化的size赋值给n*/
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
/*如果在tab中，(n - 1) & hash的值是空，就新建一个节点并把Node插入在该位置*/
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
/*表示存的位置有冲突*/
else {
Node<K,V> e; K k;
/*判断第一个Node的hash和key是否相同，如果相同，就直接把p赋值给e*/
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
/*hash和key不相同，判断是否是树结构，是的话就把节点加入到树中*/
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
/*否则就是链表，遍历链表，把Node插入到合适的位置*/
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
/*next指针为空，即没有下一个Node，就把它挂在后面*/
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
/*判断链表长度是否大于等于7，即冲突的节点数超过了8个，如果超了，就将链表转换为红黑树并跳出循环*/
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
/*treeifyBin方法做的事情：判断当前hashMap中tab的长度，如果没达到阈值MIN_TREEIFY_CAPACITY（64）就只进行扩容table（resize），如果达到了阈值就将链表转换为红黑树 */
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
/*如果链表中有相同的key值也跳出循环*/
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
/*判断链表上是否有相同的key值，如果有，返回已存在的value*/
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;//结构更改次数+1
/*判断当前的size是否大于阈值（默认是初始容量*0.75=12)，如果超了，就扩容*/
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
HashMap的扩容(resize)
HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务。当HashMap的链表数组的大小超过初始设置容量的75%，它会自动调整容量到原来的2倍（HashMap的resize方法）。它会重新遍历并赋值，这个过程中还需要重新计算hash，分配位置，所以如果能估算Map的容量，最好给它一个默认初始值，避免进行多次扩容。
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
/*获取当前容量*/
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
/*获取扩容阈值*/
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
/*如果当前容量即table的长度大于0*/
if (oldCap > 0) {
/*判断当前容量是否大于最大值，是就将阈值设置为Integer最大值，直接返回，不再扩充*/
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
/*判断当前容量的两倍是否小于最大容量限定，并且大于等于默认的容量大小 ，是就将当前容量扩大一倍作为新容量*/
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;
/*如果当前容量是0，表示第一次初始化table*/
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];//构造扩容后的新表，初始化表中的数据
table = newTab;//把新表赋值给table
/*判断原表是否为空，如果为null说明是新建，否则为扩容就要把原表中数据移动到新表中*/
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) { //先将原表中的元素赋值给变量e，判断是否为null,不为null就要迁移数据
oldTab[j] = null; //将原表中的元素设置为null，方便垃圾回收
if (e.next == null) //说明当前e这个node没有链表，所以直接在新表的e.hash & (newCap - 1)位置放入该Node
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof HashMap.TreeNode)//判断当前e是否为树，
((HashMap.TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
/*如果e后面是个单链表，则需要遍历单链表，将每个结点重新计算在新表的位置，并赋值*/
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;
//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) {//loTail不为null，则放在新表原位置j
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {//hiTail不为null，则放在新表新位置j+oldCap
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
Fail-Fast策略
HashMap不是synchronized。所以线程不安全，但是可以使用工具类Collections中的方法：
Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));
来获取一个并发的HashMap。
当遍历HashMap时，有另一个线程想要修改HashMap时会立即终止迭代并抛出 ConcurrentModificationException 异常，这就是fail-fast策略。
这一策略在源码中是通过modCount来实现的，modCount（moderate count）即修改次数，对HashMap内容的修改都会把modCount值增加。并且modCount声明为volatile，保证了线程之间修改的可见性。
在HashMap中，每次初始化一个迭代器都会执行
int expectedModCount = modCount;
在迭代过程中会通过checkForComodification()方法来判断modCount和expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了Map。
更多fail-fast详情：Java8源码-详解fail-fast
HashSet，HashMap和HashTable的区别
| HashMap | HashTable | HashSet |
|---|---|---|
| HashMap实现了Map接口，Map不允许有重复的键。继承自AbstractMap类。 | HashTable实现了Map接口，继承自Dictionary类 | HashSet实现了Set接口，Set不允许有重复值 |
| HashMap允许使用null key和null value，因为key不允许重复，所以只有一个键为null。 | HashTable的key和value不允许为null | |
| HashMap储存键值对 | HashSet仅仅存储对象 | |
| HashMap重新计算hash值 | HashTable直接使用对象的hashCode | |
| HashMap中hash数组的默认大小是16，扩容是old*2,填充因子默认是0.75 | HashTabled的hash数组默认大小是11，增加的方式是 old*2+1。填充因子默认是0.75 | |
| HashMap不能保证放入元素的顺序，它是无序的，和放入的顺序并不能相同。TreeMap保存了对象的排列次序 | ||
| HashMap是非synchronized的 | HashTable是synchronized，所以是线程安全的，多个线程可以共享一个HashTable |
HashSet：因为set中不能储存相等的对象，所以在把对象存储在HashSet之前，要先确保对象重写equals()和hashCode()方法，用来比较对象的值是否相等。如果没有重写这两个方法，将会用默认的实现。
HashTable是synchronized，即一次只有一个线程可以更改HashTable，任何一个线程在更改HashTable之前要获取同步锁，也就意味着别的线程只能等待同步锁被释放后才能获得它并去更新HashTable，所以在单线程环境下HashTable比HashMap要慢。如果不需要同步，只需要单一线程，推荐使用HashMap，此时HashMap的性能比HashTable要好。
HashMap的线程是不安全的，多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap 或者 Collections.synchronizedMap()。
hash的具体计算方式：HashTable是直接使用key的hashCode对table数组的长度直接进行取模。HashMap是对key的hashCode进行了二次hash，以获得更好的散列值，然后对table数组长度取摸
性能对比
红黑树：在树中通过key.equals(k)查找，O(logn)。
链表：在链表中通过key.equals(k)查找，O(n)。
HashMap: JAVA7如果多个hashCode()的值落到同一个桶内的时候，存储到一个链表中，这样hashmap就退化成了一个链表——查找时间从O(1)到O(n)，JAVA8是O(logn)。
参考文章：
Java中HashMap底层实现原理(JDK1.8)源码分析
深入Java集合学习系列：HashMap的实现原理
Java集合 --- HashMap底层实现和原理（源码解析）
Java7/8 中的 HashMap 和 ConcurrentHashMap 全解析
Java 8系列之重新认识HashMap
