概述
在分析HashMap的源码之前，先看一下HashMap在数据结构中的位置，常见的数据结构按照逻辑结构跟存储结构可以做如下划分：
数据结构分类
先看一下源码中的注释
- Hash table based implementation of the <tt>Map</tt> interface. This
implementation provides all of the optional map operations, and permits
<tt>null</tt> values and the <tt>null</tt> key. (The <tt>HashMap</tt>
class is roughly equivalent to <tt>Hashtable</tt>, except that it is
unsynchronized and permits nulls.) This class makes no guarantees as to
the order of the map; in particular, it does not guarantee that the order
will remain constant over time. - 哈希表是基于Map接口实现类。这个实现类提供所有Map接口的操作方法，Key跟Value都能够为空。HashMap除了不是线程安全跟允许Key跟Value为空之外，大致可以认为跟Hashtable相同。HashMap不保证map的顺序；尤其是，随着时间的推移，随着时间的推移，map的顺序也会发生变化。
从注释中可以看出，HashMap是非线程安全的，并且允许Key跟Value为空，同时也知道HashMap不是传统意义上的链表或者数组，实质上是一个链表数组
前面分析过ArrayList跟LinkedList，各有利弊，但是实际上我们在进行数据操作的时候希望查找跟修改效率都高起来，那么它们俩实际上都不符合我们的预期，所以就有了HashMap这种数据结构，下面看一下HashMap的继承关系。
HashMap继承关系
这个比较清晰，没什么好说的，现在分析一下HashMap的内部结构
正文
成员变量
//默认的初始化容量，必须是2的幂，默认为4
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 4;
//最大容量，2的幂，并且小于1 << 30
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认的负载因子，当构造方法中没有指定负载因子的时候
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//一个空的HashMapEntry数组，table为空的时候进行赋值
static final HashMapEntry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
//HashMapEntry数组。长度必须是2的幂
transient HashMapEntry<K,V>[] table = (HashMapEntry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
//Map中Key——Value的对数
transient int size;
//阈值，size超过这个值就会进行扩容
int threshold;
//哈希表实际的负载因子
final float loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//哈希表被修改的次数
transient int modCount;
下面看一下这个内部类
static class HashMapEntry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;//Key值
V value;//Value值
HashMapEntry<K,V> next;//指向下一个HashMapEntry的指针
int hash;//Key的hash值
/**
* Creates new entry.
*/
HashMapEntry(int h, K k, V v, HashMapEntry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
在成员变量中有一个HashMapEntry数组，而此时的HashMapEntry中包含有指针,说明这个数组中的元素是链表，这样一来就比较好理解了，HashMap的底层是一个数组，数组中的元素是一个链表，也就是通常所说的链表数组。
构造方法
采用默认的数组容量，默认的增长因子构造一个HashMap
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
自定义初始化容量，采用默认的增长因子构造一个HashMap
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
通过传入一个Map来构造一个HashMap
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1, DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
inflateTable(threshold);
putAllForCreate(m);
}
自定义初始化容量跟增长因子构造一个HashMap
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//检查初始化容量是否合乎规范
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) {
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
} else if (initialCapacity < DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) {
initialCapacity = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
}
//检查负载因子是否合乎规范
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +loadFactor);
threshold = initialCapacity;//初始化的时候阈值是默认跟容量相同，当size改变的时候会重新赋值
init();//空实现
}
void init() { }
存储元素
public V put(K key, V value) {
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);//首次添加元素，扩容
}
//Key为空时，单独处理
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
for (HashMapEntry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);//增加一个entry元素
return null;
}
根据Hash值与table的size来计算entry在数组中的位置
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
首次设置table的容量
private void inflateTable(int toSize) {
// 如果toSize不是2的幂，那么久将其转化成值最相近的2的幂
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
//计算阈值
float thresholdFloat = capacity * loadFactor;
if (thresholdFloat > MAXIMUM_CAPACITY + 1) {
thresholdFloat = MAXIMUM_CAPACITY + 1;
}
//threshold 重新赋值
threshold = (int) thresholdFloat;
//自定义容量初始化table
table = new HashMapEntry[capacity];
}
//处理key为空的情况
private V putForNullKey(V value) {
for (HashMapEntry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);//增加一个entry元素,key为null的时候hash值设置为0
return null;
}
我们看到不管是处理Key为空还是不为空，最后都需要调用addEntry方法，下面来分析一下addEntry
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
//扩容，扩容因子是2
resize(2 * table.length);
//计算key的hash值
hash = (null != key) ? sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key) : 0;
//根据hash和table的size来计算桶下表，也就是该元素在数组中的位置
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
//生成一个新的Entry数组
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
HashMap扩容
void resize(int newCapacity) {
HashMapEntry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
//创建一个新的table数组，容量为旧数组的2倍
HashMapEntry[] newTable = new HashMapEntry[newCapacity];
//将旧数组中的元素全部转移到新数组里面
transfer(newTable);
//将新数组赋值table
table = newTable;
//重新计算阈值
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
计算元素的下标
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}
生成一个新数组
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//不管Key是否重复，都会去取下标为bucketIndex的元素
HashMapEntry<K,V> e = table[bucketIndex];
//然后重新给bucketIndex进行赋值，如果出现了hash冲突，就把最后添加的这个entry的指针指向上一个元素
table[bucketIndex] = new HashMapEntry<>(hash, key, value, e);
//size自增
size++;
}
基本上到这里，put方法已经比较清楚了，，然后将hash值跟table的size进行位运算得到该元素的下标，然后再数组中新增该元素，如果出现了hash冲突，那么不会删除该元素，会将最新的entry放在该位置，并且将entry的指针指向上一个元素，下面用一张图来解释。
HashMap图解
上面这个图是根据HashMap的原理进行绘制的，我定义了容量为4(2的整数次幂)的Entry数组，可以看到每个Entry都有一个next指针，当有hash冲突的时候，新加入的entry的指针会指向上一个entry，否则指向Null。
读取元素
public V get(Object key) {
//先判断Key值是否为空，为空单独处理
if (key == null)
return getForNullKey();
//通过getEntry获取相应的Value
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
getForNullKey
private V getForNullKey() {
if (size == 0) {
return null;
}
//遍历整个数组，获取对应的Value
for (HashMapEntry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
getEntry
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//先计算hash值
int hash = (key == null) ? 0 : sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);
//通过hash值得到key在数组中的下标,遍历此下标entry的链表
for (HashMapEntry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null;e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
跟put的套路基本一样，需要注意的是在key非空的时候，需要遍历entry链表上面的所有Key，因为有可能这个链表冲突了，就是说不通的key对应的hash值是一样的，所以需要通过key跟hash双重判断
移除元素
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.getValue());
}
removeEntryForKey
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
//获取当前key对应的下标的entry
HashMapEntry<K,V> prev = table[i];
//将entry给e
HashMapEntry<K,V> e = prev;
//遍历整个entry下面的整个链表
while (e != null) {
HashMapEntry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
//如果是链表的head，需要对table重新赋值
table[i] = next;
else
//如果是链表的中间位置，只需要改变head的指针即可
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
//将当前的entry传给pre
prev = e;
//继续遍历
e = next;
}
return e;
}
包含某个Key
public boolean containsKey(Object key) {
//跟移除一样，调用getEntry
return getEntry(key) != null;
}
包含某个Value
public boolean containsValue(Object value) {
//Null单独处理
if (value == null)
return containsNullValue();
HashMapEntry[] tab = table;
//遍历整个table数组
for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
//遍历entry的整个链表
for (HashMapEntry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
if (value.equals(e.value))
return true;
return false;
}
private boolean containsNullValue() {
//跟非空一样
HashMapEntry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
for (HashMapEntry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
if (e.value == null)
return true;
return false;
}
清空table
调用Arrays的fill方法
public void clear() {
modCount++;
Arrays.fill(table, null);
size = 0;
}
遍历
遍历key
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
}
遍历value
public Collection<V> values() {
Collection<V> vs = values;
return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
}
遍历entry
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
//首次调用为空，会调用new EntrySet
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
由于遍历最后都是调用的都是Collection的iterator方法，看一下他们的实现：
Key持有的Iterator为KeyIterator
Iterator<K> newKeyIterator() {
return new KeyIterator();
}
Value持有的Iterator为ValueIterator
Iterator<V> newValueIterator() {
return new ValueIterator();
}
private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
public V next() {
return nextEntry().getValue();
}
}
Entry持有的Iterator为EntryIterator
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator() {
return new EntryIterator();
}
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
上述的三个Iterator都是继承自HashIterator，只是复写了next方法而已，所以现在只需要研究一下HashIterator
HashIterator
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
HashMapEntry<K,V> next; // 下一个需要返回的entry
int expectedModCount; // 当expectedModCount跟modCount不一样时，会报异常,快速失败
int index; // current slot，当前节点
HashMapEntry<K,V> current; // 当前的entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
HashMapEntry[] t = table;
//遍历整个table，不为空的时候然后退出循环，此时将next指向第一个元素
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
//获取下一个元素
final Entry<K,V> nextEntry() {
modCount与expectedModCount不相等的时候，说明有多个线程同时操作Map
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
HashMapEntry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
HashMapEntry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
//删除某一个元素
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
}
有几点需要注意：
快速失败
- Note that fail-fast behavior cannot be guaranteed as it is, generally speaking, impossible to make any hard guarantees in the presence of unsynchronized concurrent modification. Fail-fast operations throw {@code ConcurrentModificationException} on a best-effort basis.
Therefore, it would be wrong to write a program that depended on this exception for its correctness: should be used only to detect bugs. - 迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。
小结
- HashMap支持扩容，默认的扩容因子是2
- HashMap存储数据是无序的，如果key值为null，则放在第一个位置
- HashMap的key可以为空，如果不为空需要复写hashCode跟equal方法
- HashMap是非线程安全的：如果想保证线程安全，可以使用Collections.synchronizedMap()或者ConcurrentHashMap，不建议使用Hashtable，效率较低
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