HashMap原理

HashMap也是我们使用非常多的Collection，它是基于哈希表的 Map 接口的实现，以key-value的形式存在。在HashMap中，key-value总是会当做一个整体来处理，系统会根据hash算法来来计算key-value的存储位置，我们总是可以通过key快速地存、取value。下面就来分析HashMap的存取。

一、定义

HashMap实现了Map接口，继承AbstractMap。其中Map接口定义了键映射到值的规则，而AbstractMap类提供 Map 接口的骨干实现，以最大限度地减少实现此接口所需的工作，其实AbstractMap类已经实现了Map，这里标注Map LZ觉得应该是更加清晰吧！

public class HashMap<K,V>extends AbstractMap<K,V>implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

二、构造函数

HashMap提供了三个构造函数：
HashMap()：
  构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的HashMap。
HashMap(int initialCapacity)：
  构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：
  构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。

在这里提到了两个参数：
   初始容量，加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数，其中容量表示哈希表中桶的数量，初始容量是创建哈希表时的容量，加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，它衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪费。系统默认负载因子为0.75，一般情况下我们是无需修改的。

HashMap是一种支持快速存取的数据结构，要了解它的性能必须要了解它的数据结构。

三、数据结构

我们知道在Java中最常用的两种结构是数组和模拟指针(引用)，几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现，HashMap也是如此。实际上HashMap是一个“链表散列”，如下是它数据结构：

152128347367.png

从上图我们可以看出HashMap底层实现还是数组，只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity就代表了该数组的长度。下面为HashMap构造函数的源码：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    //初始容量不能<0
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "+ initialCapacity);
    //初始容量不能 > 最大容量值，HashMap的最大容量值为2^30
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    //负载因子不能 < 0
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "+ loadFactor);

    // 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
    int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;
    
    this.loadFactor = loadFactor;
    //设置HashMap的容量极限，当HashMap的容量达到该极限时就会进行扩容操作
    threshold = (int) (capacity * loadFactor);
    //初始化table数组
    table = new Entry[capacity];
    init();
}
  从源码中可以看出，每次新建一个HashMap时，都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点。
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    final int hash;

    /**
     * Creates new entry.
     */
    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
    .......
}

其中Entry为HashMap的内部类，它包含了键key、值value、下一个节点next，以及hash值，这是非常重要的，正是由于Entry才构成了table数组的项为链表。

上面简单分析了HashMap的数据结构，下面将探讨HashMap是如何实现快速存取的。

四、存储实现：##

首先我们先看源码

public V put(K key, V value) {  
//当key为null，调用putForNullKey方法，保存null与table第一个位置中，这是HashMap允许为null的原因    
    if (key == null)    
        return putForNullKey(value);    
    //计算key的hash值  
    int hash = hash(key.hashCode());                    ------(1)  
    //计算key hash 值在 table 数组中的位置  
    int i = indexFor(hash, table.length);               ------(2)  
    //从i出开始迭代 e,找到 key 保存的位置  
    for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e =   e.next) {  
        Object k;  
        //判断该条链上是否有hash值相同的(key相同)  
        //若存在相同，则直接覆盖value，返回旧value  
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key   key.equals(k))) {  
            V oldValue = e.value;    //旧值 = 新值  
            e.value = value;  
            e.recordAccess(this);  
            return oldValue;     //返回旧值  
        }  
    }  
    //修改次数增加1  
    modCount++;  
    //将key、value添加至i位置处  
    addEntry(hash, key, value, i);  
    return null;  
}  

通过源码我们可以清晰看到HashMap保存数据的过程为：首先判断key是否为null，若为null，则直接调用putForNullKey方法。若不为空则先计算key的hash值，然后根据hash值搜索在table数组中的索引位置，如果table数组在该位置处有元素，则通过比较是否存在相同的key，若存在则覆盖原来key的value，否则将该元素保存在链头（最先保存的元素放在链尾）。若table在该处没有元素，则直接保存。这个过程看似比较简单，其实深有内幕。有如下几点：

1、 先看迭代处。此处迭代原因就是为了防止存在相同的key值，若发现两个hash值（key）相同时，HashMap的处理方式是用新value替换旧value，这里并没有处理key，这就解释了HashMap中没有两个相同的key。

2、 在看（1）、（2）处。这里是HashMap的精华所在。首先是hash方法，该方法为一个纯粹的数学计算，就是计算h的hash值。

static int hash(int h) {
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

我们知道对于HashMap的table而言，数据分布需要均匀（最好每项都只有一个元素，这样就可以直接找到），不能太紧也不能太松，太紧会导致查询速度慢，太松则浪费空间。计算hash值后，怎么才能保证table元素分布均与呢？我们会想到取模，但是由于取模的消耗较大，HashMap是这样处理的：调用indexFor方法。

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

HashMap的底层数组长度总是2的n次方，在构造函数中存在：capacity <<= 1;这样做总是能够保证HashMap的底层数组长度为2的n次方。当length为2的n次方时，h&(length - 1)就相当于对length取模，而且速度比直接取模快得多，这是HashMap在速度上的一个优化。至于为什么是2的n次方下面解释。

我们回到indexFor方法，该方法仅有一条语句：h&(length - 1)，这句话除了上面的取模运算外还有一个非常重要的责任：均匀分布table数据和充分利用空间。