本文涉及HashMap的知识点有：
1，HashMap的简单使用
2，HashMap的存储结构原理
3，HashMap的扩容方法原理
4，HashMap中定位数据索引实现
5，HashMap中put、get方法实现
HashMap的简单使用
HashMap使用键值对存储，只需传入相应的键-值即可存储。
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();
map.put("key1", 1);
map.put("key2", 2);
map.put("key3", 3);
for(Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
}
运行结果是：
key1:1
key2:2
key3:3
读取对应键的值：
map.get("key3");
看到这里你一定想知道HashMap存储数据的结构是怎么样的.
HashMap的存储结构
HashMap综合了数组和链表的优缺点，实现了自己的存储方式。那么先看一下数组和链表的存储方式：
1.数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。
2.数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难。
1.链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。
2.链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。
HashMap为了能做到寻址容易，插入、删除也容易使用了如下的结构。
从结构实现来讲，HashMap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的。
HashMap存储数据的工作流程就是：
例如存储：map.put("key1", 1);
分析：
1.将“key1”这个key用hashCode()方法得到其hashCode 值，然后再通过Hash算法的后两步运算（高位运算和取模运算，下文有介绍）来定位该键值对的存储位置（即数据在table数组中的索引）
2.有时两个key会定位到相同的位置，表示发生了Hash碰撞。Java中HashMap采用了链地址法来解决Hash碰撞。（链地址法，简单来说，就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。）
3.当链表长度大于8时，将这个链表转换成红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能。
接下来，看存储的数据结构代码：
HashMap中存储数据用的是一个数组：Node[] table，即哈希桶数组，明显它是一个Node的数组。对照上图中的第一列（数组table）。
数组中存储的黑点的数据结构就是这里的Node结构：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; //用来定位数组索引位置
final K key;
V value;
Node<K,V> next; //链表的下一个node
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }
public final K getKey(){ ... }
public final V getValue() { ... }
public final String toString() { ... }
public final int hashCode() { ... }
public final V setValue(V newValue) { ... }
public final boolean equals(Object o) { ... }
}
Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。
HashMap的扩容方法原理
在理解HashMap的扩容流程之前，我们得先了解下HashMap的几个字段。
int threshold; // 所能容纳的key-value对极限
final float loadFactor; // 负载因子
int modCount;
int size;
Node[] table的初始化长度length(默认值是16)
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; (左移4位，2的4次方)
loadFactor为负载因子(默认值是0.75)
···
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
···
threshold
是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数：threshold = length * loadFactor。超过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍。默认的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择，建议大家不要修改。
size
就是HashMap中实际存在的键值对数量。
modCount
主要用来记录HashMap内部结构发生变化的次数，主要用于迭代的快速失败。强调一点，内部结构发生变化指的是结构发生变化，例如put新键值对，但是某个key对应的value值被覆盖不属于结构变化。
具体实现方法
确定哈希桶数组索引的位置
分三步确定：
– 取key的hashCode值
– 高位运算
– 取模运算
方法一：
static final int hash(Object key) { //jdk1.8 & jdk1.7
int h;
// h = key.hashCode() 为第一步 取hashCode值
// h ^ (h >>> 16) 为第二步 高位参与运算
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
方法二：
static int indexFor(int h, int length) { //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的
return h & (length-1); //第三步 取模运算
}
分析：
1.求hash值方法中，用h = key.hashCode()。然后将h的低16位和高16位异或，是为了保证在数组table的length比较小的时候，让高低位数据都参与到Hash的计算中，同时不会有太大的开销。
2.length是数组的长度，取模运算求出数组索引。当length总是2的n次方时，h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
高低位异或运算如下图：（n为table的长度）
HashMap的put方法
public V put(K key, V value) {
// 对key的hashCode()做hash
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;
//判断键值对数组table[i]是否为空或为null,否则执行resize()进行扩容
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value,这里的相同指的是hashCode相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
针对这个流程，网上出现了一张比较好的流程图，这里借用下（若有冒犯请留言，我将重新画一个）
HashMap的扩容方法
JDK1.7中的扩容较好理解：使用一个容量更大的数组来代替已有的容量小的数组，并把数据从原来的数组中重新按照原来的计算方法放到新的数组中。
void resize(int newCapacity) { //传入新的容量
Entry[] oldTable = table; //引用扩容前的Entry数组
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了
threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //初始化一个新的Entry数组
transfer(newTable); //！！将数据转移到新的Entry数组里
table = newTable; //HashMap的table属性引用新的Entry数组
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改阈值
}
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table; //src引用了旧的Entry数组
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍历旧的Entry数组
Entry<K,V> e = src[j]; //取得旧Entry数组的每个元素
if (e != null) {
src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象）
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新计算每个元素在数组中的位置
e.next = newTable[i]; //标记[1]
newTable[i] = e; //将元素放在数组上
e = next; //访问下一个Entry链上的元素
} while (e != null);
}
}
}
JDK1.8中，对扩容算法做了优化。我们观察下key1和key2在扩容前和扩容后的位置计算过程：
可以看到如下结果：
我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”。
可以看看下图为16扩充为32的resize示意图：
这个设计确实非常的巧妙，既省去了重新计算hash值的时间，而且同时，由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的，因此resize的过程，均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了。
具体代码，有兴趣的可以仔细品读以下代码：
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 没超过最大值，就扩充为原来的2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 { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 计算新的resize上限
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes"，"unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 把每个bucket都移动到新的buckets中
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // 链表优化重hash的代码块
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 原索引+oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 原索引放到bucket里
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap放到bucket里
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
安全性
HashMap是线程不安全的，不要在并发的环境中同时操作HashMap，建议使用ConcurrentHashMap。
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