Java集合类是非常重要的知识点，其中HashMap、HashTable、ConcurrentHashMap最为重要。本文主要对HashMap进行详细的介绍以及总结一些面试中经常问到的问题。
HashMap的内部存储结构
Java中数据存储方式最底层的两种结构，一种是数组，另一种就是链表。
数组的特点：连续空间，寻址迅速，但是在删除或者添加元素的时候需要有较大幅度的移动，所以查询速度快，增删较慢。
链表的特点：由于空间不连续，寻址困难，增删元素只需修改指针，所以查询慢、增删快。
有没有一种数据结构来综合一下数组和链表，以便发挥他们各自的优势？答案是肯定的！就是：哈希表。哈希表具有较快（常量级）的查询速度，及相对较快的增删速度，所以很适合在海量数据的环境中使用。
HashMap的实现主要用到了哈希表的链地址法。即使用数组+链表的方式实现。
上图是一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12 , 28%16=12, 108%16=12, 140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。
它的内部其实是用一个Entity数组来实现的，属性有key、value、next。
HashMap重要方法详细分析
- 初始化
一般使用new HashMap()方法初始化，我们先来看一下无参构造方法的源代码
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}
常量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
初始容量：16
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
最大容量：2的30次方 => 1073741824
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
负载因子：75%
上面还出现了一些变量，介绍一下这些重要变量
| 变量 | 术语 | 说明 |
|---|---|---|
| loadFactor | 负载因子 | HashMap大小负载因子，默认为75% |
| threshold | 临界值 | HashMap大小达到临界值，需要重新分配大小 |
| Entry | 实体 | HashMap存储对象的实际实体，由Key，value，hash，next组成 |
| *modCount | 统一修改 | HashMap被修改或者删除的次数总数 |
HashMap中除了无参构造方法，还有带参数的构造方法，我们也来看一下它的源代码
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}
使用这个带参数的构造方法，我们就能指定初始时的table容量以及负载因子了。
- put(Object key,Object value)方法
作用是存储一个键-值对
/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with key, or
* null if there was no mapping for key.
* (A null return can also indicate that the map
* previously associated null with key.)
*/
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry 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);
return null;
}
处理步骤如下：
（1）判断key是否为null，若为null，调用putForNullKey(value)处理。这个方法代码如下：
/**
* Offloaded version of put for null keys
*/
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry 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);
return null;
}
从代码可以看出，如果key为null的值，默认就存储到table[0]开头的链表了。然后遍历table[0]的链表的每个节点Entry，如果发现其中存在节点Entry的key为null，就替换新的value，然后返回旧的value，如果没发现key等于null的节点Entry，就增加新的节点。
（2）先计算key的hashcode，在使用计算的结果二次hash，使用indexFor(hash, table.length)方法找到Entry数组的索引i的位置。
（3）接着遍历以table[i]为头结点的链表，如果发现已经存在节点的hash、key值与条件相同时，将该节点的value值替换为新的value值，然后返回旧的value值。
（4）如果未找到hash、key值均相同的节点，则调用addEntry方法增加新的节点（头插法）。代码如下：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
- get(Object key)方法
作用是根据键来获取值
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))//-------------------1----------------
return e.value;
}
return null;
}
处理步骤如下：
（1）当key为null时，调用getForNullKey()，它的源码如下：
private V getForNullKey() {
for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
返回table[0]开头的链表的键为null的节点的值
（2）当键不为null时，依然计算hash值，然后找到具体在哪个table[indexFor(hash, table.length)]节点开头的链表中，遍历此链表查找是否存在搜索条件中的key值，返回其value。若没有符合条件的key值，返回null。
- 其他方法
HashMap其他方法，可以通过查看jdk源代码中的java.util.HashMap.java了解，本文主要介绍最重要的几个方法。
具体查看方法：
解压jdk目录下的src.zip文件
然后就可以查看大多数的源代码了
HashMap常考问题总结
最后补充一些面试时候常问到的一些问题总结。
（1）HashMap和HashTable的区别？
- HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的
- HashMap的键和值都允许有null值存在，而HashTable则不行
- 因为线程安全的问题，HashMap效率比HashTable的要高
- 哈希值的使用不同，HashMap要根据hashCode二次计算得到hash值，而HashTable直接使用对象的hashCode
- 继承的父类不同，HashMap继承自AbstractMap
（2）HashMap中的键可以是任何对象或数据类型吗？
- 可以为null，但是不能为可变对象。如果为可变对象的话，对象中的属性改变则对象的hashCode也进行了相应的改变，导致下次无法查找到已存在Map中的数据。
- 如果可变对象在HashMap中被当做键，那么就要小心在它的属性改变时，不要改变它的hashCode。只要保证成员变量的改变不会相应改变其hashCode即可。
（3）HashTable如何实现线程安全？
实现原理是在对应的方法上添加了synchronized关键字进行修饰，由于在执行此方法时需要获得对象锁，因此执行起来比较慢。如果想实现线程安全的HashMap的话，推荐使用ConcurrentHashMap。
参考资料
[1] HashMap深度分析
http://www.jianshu.com/p/8b372f3a195d
[2] [Java之美[从菜鸟到高手演变]之HashMap、HashTable] http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8193118