前言
HashMap是Java后端工程师面试的必问题，因为其中的知识点太多，很适合用来考察面试者的Java基础。今天基于jdk1.8来研究一下HashMap的底层实现。
HashMap的内部数据结构
JDK1.7是数组+链表
JDK1.8是数组+链表+红黑树
HashMap在jdk8中相较于jdk7在底层实现方面的不同：
- new HashMap();底层没创建一个长度为16的数组
- jdk 8底层的数组是：Node[]，而非Entry[]
- 首次调用put()方法时，底层创建长度为16的数组
- jdk7底层结构只：数组+链表。jdk8中底层结构：数组+链表+红黑树。
- 形成链表时，七上八下（jdk7:新的元素指向旧的元素,头插。jdk8：旧的元素指向新的元素，尾插）
- 当数组的某一个索引位置上的元素以链表形式存在的数据个数 > 8 且当前数组的长度 > 64时，此时此索引位置上的所数据改为使用红黑树存储。
数据结构图
hashMap中几个重要的字段(JDK1.8)
//默认初始容量为16，0000 0001 右移4位 0001 0000为16，主干数组的初始容量为16，而且这个数组
//必须是2的倍数(后面说为什么是2的倍数)
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//最大容量为int的最大值除2
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认加载因子为0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//阈值，如果主干数组上的链表的长度大于8，链表转化为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//hash表扩容后，如果发现某一个红黑树的长度小于6，则会重新退化为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//当hashmap容量大于64时，链表才能转成红黑树
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//临界值=主干数组容量*负载因子
int threshold;
hashMap的构造方法：
//initialCapacity为初始容量，loadFactor为负载因子
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//初始容量小于0，抛出非法数据异常
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
//初始容量最大为MAXIMUM_CAPACITY
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//负载因子必须大于0，并且是合法数字
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
//将初始容量转成2次幂
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//tableSizeFor的作用就是，如果传入A，当A大于0，小于定义的最大容量时，
// 如果A是2次幂则返回A，否则将A转化为一个比A大且差距最小的2次幂。
//例如传入7返回8，传入8返回8，传入9返回16
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
//调用上面的构造方法，自定义初始容量，负载因子为默认的0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//默认构造方法，负载因子为0.75，初始容量为DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=16，初始容量在第一次put时才会初始化
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
//传入一个MAP集合的构造方法
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
HashMap的数据插入原理
- 判断数组是否为空，为空进行初始化,在实例化以后，底层创建了长度是16的一维数组Entry[] table。
- 数组不为空，首先，调用key所在类的hashCode()计算key1哈希值，此哈希值经过(n - 1) & hash计算以后，得到在Entry数组中的存放位置。
- 判断table[index] 此位置上是否存在数据，没有数据就构造一个Node节点存放在 table[index] 中
- 如果此位置上存在数据，发生了hash冲突(意味着此位置上存在一个或多个数据(以链表形式存在))
4.1 比较key1和已存在数据的哈希值，如果key1的哈希值与已经存在的数据的哈希值都不相同，此时key1-value1添加成功。
4.2 如果key1的哈希值和已经存在的某一个数据(key2-value2)的哈希值相同
4.3 继续调用key1所在类的equals(key2)方法比较：
①如果equals()返回false：此时key1-value1添加成功。
②如果equals()返回true： 使用value1替换value2- 判断首节点是不是红黑树节点
5.1 如果首节点是红黑树节点（TreeNode），将键值对添加到红黑树。
5.2 如果首节点是链表，进行遍历寻找元素，有就覆盖无则新建，将键值对添加到链表。添加之后会判断链表长度是否长度大于 8并且数组长度大于64，大于的话链表转换为红黑树。
插入完成之后判断当前节点数是否大于阈值，如果大于开始扩容为原数组的二倍。
put源码分析
public V put(K key, V value) {
/**
* 将key传入hash方法，计算其对应的hash值：
*
* 此处如果传入的int类型的值：
* ①向一个Object类型赋值一个int的值时，会将int值自动封箱为Integer。
* ②integer类型的hashcode都是他自身的值，即h=key；h >>> 16为无符号右移16位，低位挤走，高位补0；^ 为按位异或,
* 即转成二进制后，相异为1，相同为0，由此可发现，当传入的值小于 2的16次方-1 时，调用这个方法返回的值，都是自身的值。
*/
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
//onlyIfAbsent是true的话，不要改变现有的值
//evict为true的话，表处于创建模式
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//如果主干上的table为空，长度为0，调用resize方法，调整table的长度（resize方法在下图中）
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
/* 这里调用resize，其实就是第一次put时，对数组进行初始化。
如果是默认构造方法会执行resize中的这几句话：
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; 新的容量等于默认值16
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
threshold = newThr; 临界值等于16*0.75
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab; 将新的node数组赋值给table，然后return newTab
如果是自定义的构造方法则会执行resize中的：
int oldThr = threshold;
newCap = oldThr; 新的容量等于threshold，这里的threshold都是2的倍数，原因在
于传入的数都经过tableSizeFor方法，返回了一个新值，上面解释过
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
threshold = newThr; 新的临界值等于 (int)(新的容量*负载因子)
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab; return newTab;
*/
n = (tab = resize()).length; //将调用resize后构造的数组的长度赋值给n
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //将数组长度与计算得到的hash值比较
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);//位置为空，将i位置上赋值一个node对象
else { //位置不为空
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash && // 如果这个位置的old节点与new节点的key完全相同
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p; // 则e=p
else if (p instanceof TreeNode) // 如果p已经是树节点的一个实例，既这里已经是树了
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else { //p与新节点既不完全相同，p也不是treenode的实例
for (int binCount = 0; ; ++binCount) { //一个死循环
if ((e = p.next) == null) { //e=p.next,如果p的next指向为null
p.next = newNode(hash, key, value, null); //指向一个新的节点
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // 如果链表长度大于等于8
treeifyBin(tab, hash); //将链表转为红黑树
break;
}
if (e.hash == hash && //如果遍历过程中链表中的元素与新添加的元素完全相同，则跳出循环
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e; //将p中的next赋值给p,即将链表中的下一个node赋值给p，
//继续循环遍历链表中的元素
}
}
if (e != null) { //这个判断中代码作用为：如果添加的元素产生了hash冲突，那么调用
//put方法时，会将他在链表中他的上一个元素的值返回
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //判断条件成立的话，将oldvalue替换
//为newvalue，返回oldvalue；不成立则不替换，然后返回oldvalue
e.value = value;
afterNodeAccess(e); //这个方法在后面说
return oldValue;
}
}
++modCount; //记录修改次数
if (++size > threshold) //如果元素数量大于临界值，则进行扩容
resize(); //下面说
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
resize的源码详解，扩容机制，单元素如何散列到新的数组中，链表中的元素如何散列到新的数组中，红黑树中的元素如何散列到新的数组中？
//默认构造方法与自定义构造方法第一次执行resize的过程，这里再说一下扩容的过程
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) { //扩容肯定执行这个分支
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { //当容量超过最大值时，临界值设置为int最大值
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) //扩容容量为2倍，临界值为2倍
newThr = oldThr << 1;
}
else if (oldThr > 0) // 不执行
newCap = oldThr;
else { // 不执行
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) { // 不执行
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr; //将新的临界值赋值赋值给threshold
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab; //新的数组赋值给table
//扩容后，重新计算元素新的位置
if (oldTab != null) { //原数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { //通过原容量遍历原数组
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) { //判断node是否为空，将j位置上的节点
//保存到e,然后将oldTab置为空，这里为什么要把他置为空呢，置为空有什么好处吗？？
//难道是吧oldTab变为一个空数组，便于垃圾回收？？ 这里不是很清楚
oldTab[j] = null;
if (e.next == null) //判断node上是否有链表
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //无链表，确定元素存放位置，
//扩容前的元素地址为 (oldCap - 1) & e.hash ,所以这里的新的地址只有两种可能，一是地址不变，
//二是变为 老位置+oldCap
else if (e instanceof TreeNode)
((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;
/* 这里如果判断成立，那么该元素的地址在新的数组中就不会改变。因为oldCap的最高位的1，在e.hash对应的位上为0，所以扩容后得到的地址是一样的，位置不会改变 ，在后面的代码的执行中会放到loHead中去，最后赋值给newTab[j]；
如果判断不成立，那么该元素的地址变为 原下标位置+oldCap，也就是lodCap最高位的1，在e.hash对应的位置上也为1，所以扩容后的地址改变了，在后面的代码中会放到hiHead中，最后赋值给newTab[j + oldCap]
举个栗子来说一下上面的两种情况：
设：oldCap=16 二进制为：0001 0000
oldCap-1=15 二进制为：0000 1111
e1.hash=10 二进制为：0000 1010
e2.hash=26 二进制为：0101 1010
e1在扩容前的位置为：e1.hash & oldCap-1 结果为：0000 1010
e2在扩容前的位置为：e2.hash & oldCap-1 结果为：0000 1010
结果相同，所以e1和e2在扩容前在同一个链表上，这是扩容之前的状态。
现在扩容后，需要重新计算元素的位置，在扩容前的链表中计算地址的方式为e.hash & oldCap-1
那么在扩容后应该也这么计算呀，扩容后的容量为oldCap*2=32 0010 0000 newCap=32，新的计算
方式应该为
e1.hash & newCap-1
即：0000 1010 & 0001 1111
结果为0000 1010与扩容前的位置完全一样。
e2.hash & newCap-1
即：0101 1010 & 0001 1111
结果为0001 1010,为扩容前位置+oldCap。
而这里却没有e.hash & newCap-1 而是 e.hash & oldCap，其实这两个是等效的，都是判断倒数第五位
是0，还是1。如果是0，则位置不变，是1则位置改变为扩容前位置+oldCap。
再来分析下loTail loHead这两个的执行过程（假设(e.hash & oldCap) == 0成立）：
第一次执行：
e指向oldTab[j]所指向的node对象，即e指向该位置上链表的第一个元素
loTail为空,所以loHead指向与e相同的node对象，然后loTail也指向了同一个node对象。
最后，在判断条件e指向next，就是指向oldTab链表中的第二个元素
第二次执行：
lotail不为null，所以lotail.next指向e，这里其实是lotail指向的node对象的next指向e，
也可以说是，loHead的next指向了e，就是指向了oldTab链表中第二个元素。此时loHead指向
的node变成了一个长度为2的链表。然后lotail=e也就是指向了链表中第二个元素的地址。
第三次执行：
与第二次执行类似，loHead上的链表长度变为3，又增加了一个node，loTail指向新增的node
......
hiTail与hiHead的执行过程与以上相同，这里就不再做解释了。
由此可以看出，loHead是用来保存新链表上的头元素的，loTail是用来保存尾元素的，直到遍
历完链表。 这是(e.hash & oldCap) == 0成立的时候。
(e.hash & oldCap) == 0不成立的情况也相同，其实就是把oldCap遍历成两个新的链表，
通过loHead和hiHead来保存链表的头结点，然后将两个头结点放到newTab[j]与
newTab[j+oldCap]上面去
*/
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; //尾节点的next设置为空
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null; //尾节点的next设置为空
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
HashMap仍然是不安全的,所以在多线程并发条件下推荐使用ConcurrentHashMap。
最后
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