「深度剖析」一文搞定！从初识HashMap到剖析实现原理

1. 前言

HashMap是Java中最常用的数据结构之一，它提供了一种键值对映射的存储方式，可以非常快速地进行数据的查找和插入操作。在Java的集合框架中，HashMap是使用最广泛的一种数据结构，几乎在所有的Java项目中都会用到。

本文将从基础概念、数据结构、源码实现等方面，深入分析HashMap的实现原理，帮助读者更好地理解HashMap的使用和优化。

2. 基础概念

HashMap是一种基于哈希表的数据结构，它允许将键和值进行映射，键和值都可以是任意类型的对象。在HashMap中，每个键都会对应一个唯一的值，而且键和值之间的映射关系是一一对应的，即每个键只能对应一个值。

HashMap的基本操作包括插入、查找、删除等，其中插入和查找操作的时间复杂度都是O(1)，即常数时间，非常高效。这是因为HashMap内部采用了哈希表的数据结构，可以通过哈希函数将键转换成对应的哈希值，并将哈希值对数组长度取模后，得到键值对在数组中存储的位置。由于哈希函数的设计，不同的键的哈希值是不同的，因此不同的键值对可以被存储在不同的位置上，避免了冲突。

但是，由于哈希函数的设计难度较大，如果哈希函数不够好，就容易导致冲突。当两个不同的键的哈希值相同，就会发生冲突。在HashMap中，可以使用链表或红黑树等数据结构来解决冲突。

3. 数据结构

在JDK1.7中，HashMap的数据结构是由数组和链表组成的，称为“数组+链表”结构。具体来说，HashMap内部维护了一个Entry数组，每个Entry节点包含了键值对信息和指向下一个节点的指针，如果同一个数组位置上有多个节点，就会形成一个链表。

当插入一个新的键值对时，首先会根据键的哈希值计算出数组位置，如果该位置上已经有了一个节点，就需要遍历链表，查找是否已经有相同键的节点。如果没有找到相同键的节点，就将新节点插入到链表的末尾。

在JDK1.8中，HashMap的数据结构发生了变化，采用了“数组+链表/红黑树”结构。具体来说，当链表长度超过8时，链表会自动转化为红黑树，以提高查找效率。当红黑树节点个数小于6时，红黑树会自动转化为链表，以避免频繁的树形结构操作。

4. 源码实现

在JDK1.7中，HashMap的源码实现主要包括以下几个类：

• HashMap：HashMap的主要类，实现了Map接口，提供了键值对的存储、查找、删除等操作。
• Entry：HashMap中的节点类，包含了键值对信息和指向下一个节点的指针。
• HashIterator：HashMap的迭代器类，实现了Iterator接口，可以遍历HashMap中的所有键值对。

在JDK1.8中，HashMap的源码实现也包括以上三个类，但是在实现方式上有所不同。在JDK1.8中，HashMap的主要类是Node，而不是Entry。Node类继承了Map.Entry接口，并包含了键值对信息、指向下一个节点的指针、节点的哈希值等信息。此外，HashMap中还引入了红黑树的实现类TreeNode，用于存储链表转换成红黑树后的节点信息。

HashMap的源码实现中，最重要的方法之一是put方法，它用于插入新的键值对。在put方法中，会先根据键的哈希值计算出数组位置，然后在该位置上查找是否已经有相同键的节点。如果没有找到相同键的节点，就会创建一个新的Entry节点，并将其插入到链表的末尾。如果已经存在相同键的节点，就将其值更新为新的值。如果链表长度超过了8，就会将链表转换成红黑树。在插入节点时，HashMap会自动调整数组大小，以保证哈希表的负载因子在0.75以下，避免哈希表过度填充。

除了put方法，HashMap还包括了其他常用的方法，例如get方法、remove方法、size方法等。在JDK1.8中，HashMap还引入了一些新的方法，例如forEach、replace等方法，支持更多的函数式编程操作。

下面我将通过代码来讲解HashMap的实现原理。
在JDK1.7中，HashMap的源码实现中，Entry类是HashMap的节点类，它包含了键值对信息和指向下一个节点的指针。在HashMap中，数组的每个元素都是一个Entry节点，当哈希值相同时，会将新的元素插入到链表的末尾。

下面是Entry类的定义：

class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    int hash;

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }

    public final K getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return value;
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
        Object k1 = getKey();
        Object k2 = e.getKey();
        if (k1 == k2|| (k1 != null && k1.equals(k2))) {
            Object v1 = getValue();
            Object v2 = e.getValue();
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                return true;
        }
        return false;
    }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
    }

    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }
}

在JDK1.8中，HashMap的源码实现中，Node类是HashMap的节点类，它继承了Map.Entry接口，并包含了键值对信息、指向下一个节点的指针、节点的哈希值等信息。此外，HashMap中还引入了红黑树的实现类TreeNode，用于存储链表转换成红黑树后的节点信息。

下面是Node类的定义：

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 finalK getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return 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;
    }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
    }

    public final String toString() {
        return key + "=" + value;
    }
}

5. JDK1.7和JDK1.8的不同点

在JDK1.7和JDK1.8中，HashMap的实现方式有所不同。在JDK1.7中，HashMap的数据结构是由数组和链表组成的，而在JDK1.8中，HashMap的数据结构则是由数组和链表/红黑树组成的。当链表长度超过8时，链表会自动转化为红黑树，以提高查找效率。当红黑树节点个数小于6时，红黑树会自动转化为链表，以避免频繁的树形结构操作。

总结

本文从基础概念、数据结构、源码实现等多个方面，深入分析了HashMap的实现原理，并区分了JDK1.7和JDK1.8的不同点。HashMap作为Java中最常用的数据结构之一，在实际开发中应用广泛，深入理解其实现原理对于优化代码性能和解决问题具有重要意义。同时，ConcurrentHashMap作为HashMap的线程安全版本，也是Java并发编程中经常使用的数据结构，需要掌握其实现原理和使用方法。