HashMap 原理浅析

HashMap 可以说是使用频率相当频繁的一类 Java 容器了，它主要用来存放键值对 数据，如

• name：张三
• age：18

HashMap 中可以存放 null，但 key 是唯一的，value 可以重复。当你将多个 key 相同的键值对存储进 HashMap 中时，只会显示最后放的键值对数据。

HashMap 是无序的，也就是说当你遍历 HashMap 时，得到的顺序和一开始存放的顺序是不同的。为什么不同呢？因为 HashMap 采用的是哈希存储的方式。

在用到哈希的数据结构中，比如 HashMap ，hash 值(key)存在的目的是加速键值对的查找，key 的作用是为了将元素适当地放在各个桶(bucket)里，这里的桶可以理解为数组的位置。
存储的过程如下：

1. 定义一个初始数组
2. 通过 hash 算法计算 key 的 hash 值
3. 将键值对存储到数组中，hash 值即为数组下标
4. 如果当前位置已有元素，采用链表的形式，将该键值对添加到原有元素的后面
5. 若链表长度大于等于8，链表转为用红黑树存储

下面分步进行说明(基于JDK1.9)。

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构造函数

在我们使用 HashMap 的时候，我们一般是采用无参构造函数：

/**
* Constructs an empty HashMap with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

可以看到，这种情况下，都使用的是默认值，负载因子（default load factor）为0.75，初始数组大小（table）为16。

这里解释一下什么是负载因子：

负载因子 = 阈值/数组长度

阈值(threshold)就是你最多可以存储多少对 数据。当存储的数据的个数大于阈值时，数组会扩容，变为原来的两倍。

负载因子体现了对时间和空间的一种考量，负载因子越小，扩容就越频繁，所需空间就越大。一般使用默认值即可。

当然，HashMap 也提供了有参构造函数让我们更改默认的数组初始容量(initialCapacity)和默认负载因子。

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put() 方法

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

看起来很多参数，但我们只需要关注 hash(key) 方法与 putVal() 方法就可以了。

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

key.hashCode() 方法返回的是 int 型数值，移位与异或的目的是增加 hashcode 值的随机性。

下面是关键代码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // 原有的数组是否为空，为空则新建一个数组
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 如果数组对应下标的位置上没有Node节点（键值对）
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 将该节点放置在此处
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 如果数组对应下标的位置上已有节点且该节点key值与要添加的key值相等，则覆盖原有节点
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 如果该节点为TreeNode类型节点，采用红黑树存储
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 当binCount达到一定大小，将链表转为红黑树
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 如果下一个节点为空直接存储
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                // 如果下一个节点不为空，比较key值是否相等
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                // 查询下一个节点
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent表示是否替换原有的值，true则不替换已存在的值
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    // 记录HashMap内部结构发生变化的次数
    ++modCount;
    // 当数组大小超过阈值，对数组进行扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

在第二个 if 语句中有一个与操作 (n - 1) & hash，因为数组的大小为2的幂，假设为2的3次方，则 n - 1 的结果化为二进制为111 ，与操作相当于取 hash 的低三位，这样做的目的是使结果在数组的表示范围内，以免发生数组越界异常。

可以结合下图来理解（参考Java 8系列之重新认识 HashMap https://tech.meituan.com/java-hashmap.html）

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resize() 方法

resize() 方法设计的也很巧妙。因为每次扩容数组长度都变为原来的两倍，以二进制来说相当于左移一位，则对于 table.length & hash 来说，结果比原来增加了一位。

比如原来数组的长度为4，hash 值的最后8位为00001010，原来计算的结果为10；当数组长度增加一倍后，计算的结果为010，增加了一位。

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) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            // double threshold
            newThr = oldThr << 1; 
    }
    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);
    }
    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) {
        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 { 
                    // 数组扩容后，元素要不在原来位置，要不平移2的指数个位置
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;// 原来位置
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;// 平移后位置
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // 这里只需要与原数组长度做与运算，不需要减1
                        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;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

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get() 方法

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 因为key和k都有可能为null,其实这里可以用Objects.equals(k,key)更为简洁
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        if ((e = first.next) != null) {
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

• 红黑树部分待后续研究。