准备知识
HashMap是基于哈希表的非同步的实现，不保证映射的顺序永久不变，可以键值对都为null。哈希表的核心就是根据元素求位置。而多个元素可能出现相同的位置，那么就叫冲突。解决冲突的常用方式：链地址法：将多个值的不同的哈希结果（哈希值）用数组进行存储，然后将产生相同哈希值的元素，以单向链表的形式进行存储。所以拉链法的套路就是数组+单链表。第二种解决方式是线性探测法：将多个值余上表长度，如果多个值产生相同的哈希值，那么就依次往下寻找位置，直到不冲突为止。线性探测法致命的缺点就是当数据量上来时，就会频繁的进行碰撞冲突，然后找到位置比较费劲。
HashMap中链地址的单链表结构
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key; // 键
V value; // 值
Entry<K,V> next;// 指向下一个相同hash值得元素
int hash;// 哈希值
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
.............
.............
}
属性
//默认初始化容量为16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
说明：HashMap初始化容量为16。
//最大容量，必须是2的n次幂
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
说明：HashMap的最大容量是2的30次幂。
//默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
说明：HashMap的默认加载因子为0.75。
//存储数据的Entry数组，是存储实体的数组，长度是2的幂
transient Entry<K,V>[] table;
说明：HashMap中存储单向链表节点的数组。
//映射键值对的个数，也是数组中元素的个数
transient int size;
说明：HashMap中存储下标和节点的数组中元素的个数。
//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
int threshold;
说明：HashMap中的临界值，如果实际的大小超出了临界值会进行扩容。
//哈希表的加载因子
final float loadFactor;
说明：HashMap中的加载因子。
//被修改的次数
transient int modCount;
说明：HashMap中被修改的次数。
构造方法
构造方法1：初始化一个Entry数组，数组大小为2的n次幂
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//如果初始化容量小于0，报非法参数异常
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
//如果初始化容量大于最大容量，那么将最大容量作为初始化容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//如果加载因子小于0或者为非小数，那么就报非法参数异常
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// 让容量以2的n次幂递增，这样保证了容量大小为偶数
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
//以定义的容量capacity初始化Entry数组
table = new Entry[capacity];
useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
init();
}
说明：容量按照2的n次幂递增，保证容量为偶数。
因为指定的初始化容量和负载因子，所以要严格设计。计算出的临界值如果过小，那么后面元素上来需要扩容。
构造方法2：使用默认的加载因子和初始化容量构造HashMap
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
构造方法3：使用默认的初始化容量16，和默认的加载因子0.75构造HashMap
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
构造方法4：构造一个映射关系与指定 Map 相同的 HashMap；所创建的 HashMap 具有默认的加载因子 (0.75) 和足以容纳指定 Map中映射关系的初始容量。
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
putAllForCreate(m);
}
//遍历m获取值，放入哈希表
private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
}
private void putForCreate(K key, V value) {
//如果键为空，hash值为0，如果键不为空，那么就通过键来生成hash值
int hash = null == key ? 0 : hash(key);
//通过hash值来获取索引
int i = indexFor(hash, table.length);
/**
* 通过索引查找到table中的Entry节点，进行遍历单链表中的Entry节点。
* 如果出现了该索引对应hash值和键都相同的，那么就直接退出该方法。
*/
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
e.value = value;
return;
}
}
//否则就执行createEntry方法创建该桶
createEntry(hash, key, value, i);
}
关键方法设计
1. hash方法：使用键key生成hash值
通过键来获取对应的hash值。使用hashCode方法先散列一次，然后进行高位右移、异或运算，在进行低位右移、异或运算
// 根据键来获取对应的hash值
final int hash(Object k) {
int h = 0;
if (useAltHashing) {
if (k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h = hashSeed;
}
h ^= k.hashCode();
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
2. indexFor方法：使用hash值和键表的长度生成键表的下标（键表：Entry<K,V>[] table）
// 返回hash值对应的下标
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
说明：
在我们自己实现哈希表的时候，常常会采用取%的方式来进行散列，将余数作为散列码。但是java采用的是二进制与运算来取hash值。由于length为2的n次幂，所以其减一为奇数，那么转化为二进制，末位肯定是1。如果hash值h为奇数，那么h与length的与运算，返回索引的二进制末位为1.如果hash值h为偶数，那么h与length的与运算，返回索引的二进制末位为0。这就相当于取模运算了，但是与位运算比取模速度快很多。并且这样也可以保证数组的下标不会越界。是一个很棒的选择。由于与运算加上前面hash（key）函数的高位运算，就减少了碰撞。这样就保证了hash值分布比较均匀并且冲突的概率很低。并且只有在值相同时，才会对应数组中的相同位置Entry，然后以next的关系构成链表。
3. createEntry方法：初始化Entry。如果没有相同的hash值和键，就会使用createEntry来创建单链表。
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//根据索引得出对应定义的Entry类型对象e
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
//将e进行初始化哈希值、键、值，以及单链表指向的下一个节点e
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
常用方法
get方法：返回指定键所映射的值；如果对于该键来说，此映射不包含任何映射关系，则返回 null
public V get(Object key) {
// 如果键为null
if (key == null)
// 返回获取null键对应的值
return getForNullKey();
// 获取键对应的值
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
// 如果获取的节点为null，那么返回null；否则获取节点对应的值
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
getForNullKey方法：查找null键对应的值
// 获取null键的值
private V getForNullKey() {
// 如果键表中没有元素，返回null
if (size == 0) {
return null;
}
// 从键表的第一个节点开始，循环遍历存放节点的单链表
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
// 如果存在键值等于null的节点
if (e.key == null)
// 返回节点的值
return e.value;
}
return null;
}
getEntry方法：查找键对应的Entry节点
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
// 如果键为null，返回hash值为0
// 如果键不为null，返回计算的hash值
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
// 使用hash值计算键表下标，找到对应的单向节点链表
// 遍历节点链
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {
Object k;
// 判断遍历节点的hash值和键是否等于查找的键和hash值
if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
说明：
① 当键为空，就遍历单向节点链中的节点，遍历到的节点的键为null，就返回节点对应的值。
② 当键不为空，那么就通过键获取hash值，再通过hash值获取键表的下标，通过下标索引获取对应的Entry单向链表。遍历单链表找到hash值和key键都相同的值。
put方法：在此映射中关联指定值与指定键。如果该映射以前包含了一个该键的映射关系，则旧值被替换。
public V put(K key, V value) {
// 如果键为null
if (key == null)
//设置键key为null的值
return putForNullKey(value);
//通过键获取hash值
int hash = hash(key);
//通过hash值获取下标索引
int i = indexFor(hash, table.length);
// 遍历单链表节点，找到对应的值就覆盖
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 如果hash值和键都相同的
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
// 获取旧的键对应的值
V oldValue = e.value;
// 设置指定的值
e.value = value;
e.recordAccess(this);
// 返回旧值
return oldValue;
}
}
// 修改次数加1
modCount++;
//否则就添加新值并且返回为空
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
putForNullKey方法：设置键key为null的值
private V putForNullKey(V value) {
// 键表0下标开始遍历
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
// 如果键为null
if (e.key == null) {
// 获取旧的键对应的值
V oldValue = e.value;
// 设置指定的值
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
// 修改次数加1
modCount++;
// 添加新的值
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
addEntry方法：添加新的值
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 如果键表超出了临界值并且下标对应的值不为null
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
// 将HashMap扩容
resize(2 * table.length);
// 如果键key不为null就获取对应的hash值，否则获取hash值为0
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
// 通过hash值计算键表下标
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
//通过新的hash值、键、值、下标索引来以构造器的方式创建Entry单向链表
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
resize方法：使用新容量进行扩容操作
void resize(int newCapacity) {
// 获取旧表
Entry[] oldTable = table;
// 获取旧表的容量
int oldCapacity = oldTable.length;
//如果旧的容量值都已经达到最大容量，那么就不再进行扩容调整了，直接退出了
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
// 设置临界值为Integer.MAX_VALUE
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
//根据新容量长度定义新的数组
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
boolean oldAltHashing = useAltHashing;
useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() &&
(newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;
//定义了新容量的数组，那么这步就是将旧容量数组中的元素都放到新容量的数组中去
transfer(newTable, rehash);
//更新当前的键表
table = newTable;
//临界值由新容量进行调整
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
transfer方法：将旧表中的元素都转移到新表中
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
// 获取新表的容量
int newCapacity = newTable.length;
// 遍历旧键表中的Entry，然后通过旧键表中的Entry创建新键表的Entry
for (Entry<K,V> e : table) {
// 如果节点Entry不为null
while(null != e) {
// 获取遍历到节点的后继节点
Entry<K,V> next = e.next;
// 如果需要就重新通过键生成hash值
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
// 通过hash值获取下标索引
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
// 设置当前Entry节点e指向的下一个节点Entry值为newTable[i]
// 将旧的键位置对应的值作为当前Entry的后继值
e.next = newTable[i];
// 更新当前键数组的值为最新值
newTable[i] = e;
// 向下个节点遍历
e = next;
}
}
}
说明：
可以看到为了转移元素，使用旧的值生成hash值，再重新计算下标索引的位置，用了两层循环，时间复杂度增加了数量级，非常消耗性能。所以如果我们已知了需要的空间，那么就会减少不必要的因为超出的原因产生的扩容操作，减少了性能的消耗。
总结
1. HashMap的设计采用数组+单向链表实现的。
2. HashMap的默认初始化容量为16 ，默认加载因子为0.75。
3. HashMap指定初始容量：按照2的n次幂计算。
4. HashMap中键和值都允许存入null值。
5. HashMap中值允许重复，如果发现键相同，就更新原来的值。
6. HashMap是线程不安全的。
7. HashMap是无序的，不是按照插入顺序遍历出来的。
8. hash函数，通过键获取hash值，分别使用高位和低位的右移、异或运算减少冲突。
9. indexFor函数，通过hash值获取索引，使用与位运算代替取模运算，速度就提高了，而且也不用担心下标越界的问题了。
10. put函数，临界值等于键表容量乘以负载因子，当我们添加的时候会计算键表的长度是否大于临界值，如果我们初始化时临界值过小，那么我们就需要扩容，这样操作会带来性能消耗。
11. put函数，如果大于临界值将会扩容，扩容策略，一次扩容为原来的2倍。
12. 为什么数组的长度为2的n次幂：减小哈希冲突概率，而且还可以防止数组下标越界。
