一文看透HashMap底层实现原理

简单介绍

HashMap基于哈希表，它实现了Map接口，以键值对形式存储数据，是Java程序员最常用的集合之一。它的键key不可重复但可以为null，值value可以重复可以为null，元素存取无序，并且存储元素时如果已经有该键会采用新值覆盖旧值的策略。

HashMap采用的数据结构

由于HashMap是基于哈希表实现的，而哈希表随着数据的增加一定会有哈希冲突问题（鸽巢原理），解决哈希冲突的方式主要有两种：

开放地址法：产生哈希冲突时，重新探测一个新的空闲位置，将其插入，适用于数据量小的情况

拉链法：产生哈希冲突时，在冲突位置建立链表，并将其插入链表

HashMap采用拉链法解决哈希冲突，他的数据结构是数组+链表（JDK1.8后采用数组+链表+红黑树）

下面是它的实现代码，在JDK1.8之前是Entry内部类，JDK1.8后因为引入了红黑树变为了Node内部类。可以看到它的每一个节点都有key,value,指向下一个节点的next，还有hash（这个hash是为了便于进行比较，在后边的代码中可以看到）

transient Node[] table;

static class Node implements Map.Entry {

        final int hash;

        final K key;

        V value;

        Node next;

}

Hash算法

哈希表结构中哈希算法尤为重要，首先不能太复杂，太复杂光计算就消耗太多的计算时间，其次生成的索引值要尽可能随机并且分布均匀。那么HashMap的哈希算法是如何设计的？

下面截取了HashMap在JDK1.7和1.8版本下put()的部分源代码

JDK1.7

public V put(K key, V value) {

    // ...

    int hash = hash(key.hashCode());

    int i = indexFor(hash, table.length);

    // ...

}

static int hash(int h) {

    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);

    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

}

static int indexFor(int h, int length) {

    return h & (length-1);

}

JDK1.8

public V put(K key, V value) {

    return putVal(hash(key), key, value, false, true);

}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {

    // ...

    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

    // ...

}

static final int hash(Object key) {

    int h;

    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

}

两者比较可以看出有一些共同点

元素hash的计算采用的是JDK自带的hashcode()+移位操作；

数组索引的计算采用的都是hash & (length - 1)。

这和我们传统的认知是不一样的，我们先前计算数组散列后索引都是用%取余操作，那么HashMap为什么要用&与运算呢？而且还是和length - 1？

我们使用几组数据进行测试：

/**

* The default initial capacity - MUST be a power of two.

*/

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

假设hash结果为0101 0101（只截取了后8位），数组长度采用默认长度16，那么length-1就是0000 1111

h : 0101 0101

15: 0000 1111

& : 0000 0101  散列索引为5,属于[0, 15]区间 √

结果貌似是对的，但是为什么呢？这是一个巧合吗？

我发现length-1后，他的高28位全为0，低四位全为1，而根据&操作特性，他的结果中高28位肯定为0，

而低四位就是hash的低四位，那么索引结果就是hash的低四位，而低四位的区间刚好就是[0, 15]。

好吧，看来结果是对的！

但是我还注意到，在数组长度前有一行注释，说长度必须是2的幂次？这又是为什么呢？

我接着测试...

hash结果还为0101 0101，数组长度长度为17，那么length-1就是0001 0000

h : 0101 0101

16: 0001 0000

& : 0001 0000  散列索引为16，属于[0，16]区间 √

这个结果是对的，但是我发现一个问题：length-1的低四位一直为0，那计算结果中低四位肯定为0；

再看高位，高位只会产生两种结果（第27位是0/1），这样肯定不行的，散列结果只能是0/16。

我没有发现什么规律，那么下一组数据...

h : 0101 0101

31: 0001 1111

& : 0001 0101  散列索引为21，属于[0，31]区间 √

我发现了，length-1的二进制表示中，如果高位全是0，低位全是1，可以奏效！

那么反过来看，length必须是1xxx的，这刚好就是2的幂次表示。

OK，这也就解释了为什么table数组要求长度为2的幂次

解析put()源代码

JDK1.7：null键直接放置在下标0处；非null键计算下标索引，使用头插法插入到下标索引对应的链表中。中间发现相同键，新值替换旧值，当容量超出HashMap阈值扩容为原长度的2倍

public V put(K key, V value) { 

        // 键为null，将元素放置到table数组的0下标处

        if (key == null) 

            return putForNullKey(value);

        // 计算hash和数组下标索引位置

        int hash = hash(key.hashCode()); 

        int i = indexFor(hash, table.length); 

        // 根据索引找到链表，当hash一致,键一致，说明该键已存在，使用新值替换旧值并返回

        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++;

        // 插入链表

        addEntry(hash, key, value, i); 

        return null; 

    }

    private V putForNullKey(V value) {

        // 一样的，新旧值替换

        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++; 

        // 插入到数组下标为0位置

        addEntry(0, null, value, 0); 

        return null; 

    }

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

        Entry e = table[bucketIndex];

        // 头插法：将新创建的Entry放入bucketIndex索引处，并且新Entry指向原来的

        table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);

        // 计数，扩容

        if (size++ >= threshold)

            resize(2 * table.length);

    }

JDK1.8：计算数组索引下标，如果索引下标对应table[index]为null，直接插入；不为null，如果是红黑树节点就插入红黑树；如果是链表，就使用尾插法插入链表末尾。中间发现相同键，新值替换旧值，当容量超出HashMap阈值扩容为原长度的2倍

public V put(K key, V value) {

    return putVal(hash(key), key, value, false, true);

}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,

              boolean evict) {

    Node[] tab; Node p; int n, i;

    // table数组未初始化或长度为0，初始化、扩容（resize()既初始化又扩容）

    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)

        n = (tab = resize()).length;

    // 计算数组索引下标，如果为null直接插入（写的太简洁了。。。）

    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

    else {

        Node e; K k;

        // 当hash一致,键一致，说明该键在table中已存在，使用e保存（后边会实现新旧值替换逻辑）

        if (p.hash == hash &&

            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

            e = p;

        // 键不存在，并且如果为红黑树节点，插入红黑树

        else if (p instanceof TreeNode)

            e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

        else {

            // 键不存在，并且如果为链表，插入链表

            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {

                if ((e = p.next) == null) {

                    // 使用尾插法：将元素插入到链表末尾

                    /* 为什么1.7用头插法，1.8用尾插法？

                    我想应该是在1.8中引入了红黑树，在判断是否树化时有一个链表长度阈值，这个长度要一个个遍历，既然是要一个个遍历的话，就直接在尾部插入就好。而在1.7中他是不需要走到链表尾部的，采用头插法效率更高

                    */

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

                    // 如果链表长度达到树化阈值，转化为红黑树

                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st

                        treeifyBin(tab, hash);

                    break;

                }

                // 如果遍历链表时，发现链表中存在该键，退出（后边会实现新旧值替换逻辑）

                if (e.hash == hash &&

                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                    break;

                p = e;

            }

        }

        // 新旧值替换逻辑，和1.7一样

        if (e != null) { // existing mapping for key

            V oldValue = e.value;

            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)

                e.value = value;

            afterNodeAccess(e);

            return oldValue;

        }

    }

    ++modCount;

    // 计数，扩容

    if (++size > threshold)

        resize();

    afterNodeInsertion(evict);

    return null;

}

解析get()源代码

JDK1.7: null键去table[0]下找；非null键，根据key计算对应数组索引下标，遍历链表，找到相同键返回，没有返回null

public V get(Object key) {

    // 键为null时，调用getForNullKey

    if (key == null)

        return getForNullKey();

    // 计算hash值 

    int hash = hash(key.hashCode());

    // 计算数组下标索引，遍历链表

    for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {

        Object k;

        // key相同，返回对应value

        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

            return e.value;

    }

    // 没有该键，返回null

    return null;

}

JDK1.8: 根据key计算对应数组索引位置，先比较数组元素，匹配的话直接返回；不匹配，遍历其树结构或链表，找到后返回该节点，找不到返回null

public V get(Object key) {

    Node e;

    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;

}

final Node getNode(int hash, Object key) {

    Node[] tab; Node first, e; int n; K k;

    // 赋值，获取数组下标索引对应节点first

    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&

        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

        // table[index]节点刚好就是要找的

        if (first.hash == hash && // always check first node

            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

            return first;

        // 不是table[index]对应元素，遍历其链表或树

        if ((e = first.next) != null) {

            // 首节点是tree类型，遍历树

            if (first instanceof TreeNode)

                // 找到返回树节点

                return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);

            // 遍历链表，找到后返回链表节点

            do {

                if (e.hash == hash &&

                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                    return e;

            } while ((e = e.next) != null);

        }

    }

    // 找不到，返回null

    return null;

}

以上就是我的一些个人见解，如有误，还请大家指正！！！

最后：

上面都是自己整理好的！我就把资料贡献出来给有需要的人！顺便求一波关注。

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原文链接：https://juejin.im/post/5e63b124518825494a3f9867