HashMap的底层实现原理基于jdk1.8

本文参考了知乎大佬清浅池塘和程序员小灰的文章，把两位的精华搬运过来，主要是想巩固一下自己的记忆，链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28501879
https://zhuanlan.zhihu.com/p/31610616
当我们面试大厂的时候，通常都会问到这个问题，最近也在准备面试所以就着重看了下，平时工作学习还是要多看些源码，多思考的。

map有这么几中，TreeMap，HashMap，LinkedHashMap，HashTable（已被废弃），ConcurrentHashMap， HashMap，HashTable，ConcurrentHashMap是基于hash表的实现，HashMap是非线程安全的，ConcurrentHashMap是线程安全的，会锁Map的部分结构，HashTable也是线程安全的，但性能比ConcurrentHashMap查，HashTable会锁整个map对象。

HashMap是一个用于存储key-value键值对的集合，每一个键值对也叫做Entry，这些键值对（Entry）分散存储在一个数组当中，整个数组就是HashMap的主干，HashMap数组每个元素的初始值都是NUll

先来看一段代码吧

public static void main(String[] args){
	// 实例化一个HashMap,这里说一下，HashMap默认初始长度是16，并且每次扩展或手动初始化时，长度必须是2的幂(原因下面解释）
	Map<String, Object> map = new HashMap();
    // 向map中添加元素(put原理下面会讲到)
    map.put("张三key","张三value");
    map.put("李四key","李四value");
    map.put("王五key","王五value");
    map.put("赵六key","赵六value");
	
	System.out.println("map.size() : " + map.size());
	// 通过get方法获取map中“李四key”对应的value值
	System.out.println("李四key: " + map.get("李四key"));
}

执行构造函数，当我们看到new时，应该就能想到在内存中开辟了一块空间
Map map = new HashMap();

构造函数源码如下：

初始化了一个负载因子，负载因子默认为0.75，为啥是0.75

看到这里明白了，原来HashMap是数组，数组里的对象是Node

下面我们看看Node是什么，这里是部分源码

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;	//key，value用来存储put时的key，value
        V value;
        Node<K,V> next; //next 用来标记下一个元素，这个跟链表很像

		// Node的构造函数
        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }

接下来我们看看他的两个成员变量，size是map的长度，modCount用来记录修改次数

现在我们来总结一下一个HashMap对象总包含哪些东西，包含了一个Node类型的数组，一个记录长度的size，一个负载因子default_load_factor，还有一个记录修改次数的modCount

来看一下HashMap初始化的图吧

HashMap初始化好后，成员变量table数组默认为null，size默认为0，负载因子默认为0.75，往里添加元素，使用的是put()方法，我们来看下源码

public V put(K key, V value) {

	// 调用了putVal方法，key，value是传入的
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

// putVal方法的源码
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
		// 放入第一个元素时，tab为空，触发resize方法
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
            
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                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;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

resize方法比较复杂，就不完全贴出来了，当放入第一个元素时，会触发resize方法的以下关键代码（当放入第一个元素时，如果底层数组还是null，系统会初始化一个长度为16的Node数组）

// 将HashMap的长度设为默认长度
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;

// HashMap的默认长度，“<<” 位移运算法，1<<4相当于16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

// 将new出来的数组返回，虽然数组长度为16，但是HashMap的逻辑长度仍然是0，这只表示他的容量为16
return newTab;

接着看图

继续看putVal的方法

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

这段代码看着比较费劲，可以重写下

i = (n - 1) & hash;  // hash是传过来的，n是底层数组的长度，用&运算符计算出i的值
p = tab[i];  //从数组中取元素
if(p == null){ 
// 如果这个元素为null,用key，value构造一个Node对象放入数组下标为i的位置
	tab[i] = new Node(hash,key,value,null);
}

hash值是key的hashCode方法与HashMap提供的hash()方法共同计算出来的记过，其中n是数组的长度，目前这个数组的长度为16，不管这个hash值是多少，经过(n-1) & hash计算出阿里的值一定在n-1之间，用这个i作为下标，去取值，如果为null，创建一个Node放到数组下标为i的位置。

hash部分的源码

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

继续添加元素，李四，王五，赵六一切正常，key：“李四”经过（n-1）&hash算出来的数组下标为1，王五为7，赵六为9，如图：

继续添加“孙七”，通过(n-1)&hash计算“孙七”这个key时，计算出来的下标值是1，而数组下标1这个位置已经被“李四”占了，产生了冲突，下面我们看看HashMap是怎么解决冲突的

上图红框里就是冲突的处理逻辑，这一句是关键

  p.next = newNode(hash, key, value, null);

也就是说new一个新的Node对象，并把当前Node的next引用指向该对象，也就是说原来该位置上只有一个元素对象，现在转成了单链表，接着看图

红框中海油两行比较重要的代码

if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
      treeifyBin(tab, hash);

// 可以看下TREEIFY_THRESHOLD的值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

当链表长度到8时，将链表转化为红黑树来处理，接着看图

在jdk1.7及以前的版本中，HashMap中没有红黑树的实现，在jdk1.8中加入了红黑树是为了防止哈希表碰撞共计，当链表长度为8时及时转为红黑树，提高map的效率。

这里来说下为啥HashMap数组的长度应该为16或2的幂，而不是10或者其他值

i = (n - 1) & hash
当长度不是16或2的幂的时候，有的index结果出现的几率会更大，而有些index永远不会出现，不符合hash算法均匀分布的原则。

如果长度为16或2的幂，length-1的值是所有二进制位全为1，这种情况下，index的结果就等同于HashCode后几位的值，只要输入的hashCode本身分布均匀，hash算法的结果就是均匀的。
详细的解释大家可以看程序员小灰的文章，奉上连接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/31610616

让我们来假设下面试场景

面试官：你能说说Java的常用数据结构-HashMap的底层实现原理么？
答： HashMap是由key，value键值对 数组组成的，默认长度为16，也可以自己设置，可以通过put方法来存放元素，get方法获取元素
put方法，根据key 的hash值来计算该key,value在数组中的index，假设我们存储key为a的元素，hash(a)的值为1，那么就会把她存储在index=1的位置，接着存储key为b的元素，我们假设hash(b)的值也为1，index重复后，该位置会存储链表，将b插入到单向链表的头元素，并头节点的next指针指向a，当链表长度达到8时，在jdk8中又会转为红黑树，来提高map存储和读取的效率；
get方法，根据key的hash值为来计算index，从数组中获取元素，如果该元素存储的就是该key，value，那么取出，如果是链表则查看头元素是不是，如果不是就根据next向下寻找，链表没找到的话，根据红黑树的规则来找（左节点一律小于父节点，右节点一律大于父节点，节点为红色，黑色，不能有连续的红色，红色节点的子节点都为黑色，任一节点到其叶子节点的路径上黑色节点的数量一样）。

面试官：hashMap的默认长度为什么是16
答：HashMap的默认长度为16，而且我们一般建议如果设置长度的话设为2的幂次方，原因是len-1的所有二进制位全为1，这种情况下hash(key) &(len-1) 的结果等同于HashCode的后几位，只要输入的hashCode均匀些，index就会均匀些，而其他值就有可能会出现有的index出现的几率大，有的几乎不出现；

面试官：说下高并发下HashMap可能存在哪些问题吧？
答：哇，这个超纲了，等我看了程序员小灰的文章再来回答吧。。。
面试官：嗯？？？