HashMap在JDK1.8之前底层的实现方式是数组+链表，从JDK1.8开始对HashMap底层进行了优化，改为由数组+链表+红黑树实现。数组是HashMap的主体，链表和红黑树主要是解决哈希冲突（哈希碰撞）而存在的。
具体采用数组+链表的方式还是数组+红黑树的方式由节点数决定。
| JDK版本 | 实现方式 | 节点数(Entry)>=8 | 节点数(Entry)<8 |
|---|---|---|---|
| <1.8 | 数组+链表 | 数组+单向链表 | 数组+单向链表 |
| >=1.8 | 数组+链表+红黑树 | 数组+红黑树 | 数组+单向链表 |
1. HashMap的数据结构
HashMap数据结构.png
HashMap的最基本的数据结构是数组，根据哈希算法决定放在数组中的索引，如果数组该索引处已经有值，即发生所谓的哈希冲突（哈希碰撞），将该元素封装成Node节点，放在单向链表的尾部，一旦单向链表的长度达到8，则将单向链表转为红黑树。
Node节点的定义
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; // 对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算
final K key;
V value;
Node<K,V> next; // 指向下一个节点(Entry)的引用，单链表结构
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. 哈希算法的实现
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
最终哈希值的结果分为3步：
- 算出key本身的哈希值
- 将哈希值右移16位
- 对key本身的哈希值与右移16位的哈希值进行异或运算
哈希算法.png
得到哈希值，再与(数组的长度-1)进行与(&)运算，就能得到在数组中的索引
确认数组索引.png
所以最终确定元素该存储在数组中位置的流程：
索引确认流程.png
3. HashMap的put方法
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;
// table延迟创建，在put的时候再创建table
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// (n - 1) & hash == 在数组中的index值，如果该index还没有节点，则新建一个Node节点(Entry)，next为空
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// 如果该index处有值，即发生哈希冲突
else {
Node<K,V> e;
K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// key也相同，将p赋给e，p当前指向数组中index出的节点，即单向链表的头节点或红黑树的根节点
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
// key不相同，并且p属于红黑树节点，在红黑树中插入该节点
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// key 不相同，属于单向链表节点
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 遍历链表，将该节点放到单向链表末尾
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果单向链表长度大于等于8，将单向链表转换为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 找到key节点，退出循环
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
// 没有找到，p指向下一个节点，继续向单向链表后面寻找
p = e;
}
}
// key原本已经存在，判断是否需要更新，onlyIfAbsent=false：更新
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue; // 返回旧的value
}
}
++modCount;
if (++size > threshold) // threshold = capacity*loadFactory
resize(); // 调整容量
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
put方法的流程
put方法流程.png
4. HashMap的get方法
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;
// 数组空判断，并且该索引处不为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 判断hash值和key是否相等
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
// 如果是红黑树结构，到红黑树中查找该节点
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 否则是单向链表结构，遍历查找
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
5. HashMap的resize扩容方法
首先了解一下HashMap的相关field的概念
/**
* 该表在首次使用时初始化，并根据需要调整大小。长度始终是2的次方。
*/
transient Node<K,V>[] table;
/**
* 存储Node节点的集合
*/
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
/**
* 实际存储的key-value键值对的个数
*/
transient int size;
/**
* HashMap被改变的次数，由于HashMap非线程安全，在对HashMap进行迭代时，
* 如果期间其他线程的参与导致HashMap的结构发生变化了（比如put，remove等操作），
* 需要抛出异常ConcurrentModificationException
*/
transient int modCount;
/**
* 阈值 = capacity * load factor时，当size达到该值时，需要对HashMap进行扩容
*/
int threshold;
/**
* 负载因子，默认位0.75
*/
final float loadFactor;
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table; // 原来的数组
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // 原来数组的容量
int oldThr = threshold; // 原来的阈值
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 老表的容量已经到达极限，不再扩容，直接返回老表
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 老表的容量乘以2，任然小于最大容量，容量和阈值都翻倍
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 {
// 使用默认值初始化阈值
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; // 更新全局阈值变量
/************下面是将老表的数据复制到扩容后的新表中************/
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { // 遍历老表
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) { // 老表元素赋给e
oldTab[j] = null; // 老表的元素置为null
if (e.next == null) // 链表只有一个节点
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; // 重新计算索引，并将e放入新表中
else if (e instanceof TreeNode) // 该索引处时红黑树结构
((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;
}
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