HashMap 源码理解与面试
时间长了总是会容易遗忘的知识点
文章目录
- 前言
- 简介
- 存储结构
- HashMap的容量是多少
- HashMap的容量如何保证一定是2的n次幂
- 关于扩容 resize
- 为什么可以通过 e.hash & oldCap 是否为0 判断是否移位
- HashMap 是如何计算 hash 值的
- 简述数据插入 hashMap.put(K,V);
- 树化和反树化
- 数据的查询获取 hashMap.get(K)
- 参考文献
前言
几乎是每次面试必问的问题，虽然别人已经写的很好了，但是自己整理总结一下可以加深印象。以JDK1.8以上版本为主介绍。
简介
Java 为数据结构中的映射定义了一个接口 java.util.Map，此接口主要有四个常用的实现类。
咱们主要是看HashMap。
- HashMap
它根据 Key的hashCode 值存储数据。
无序存储，但访问速度极快。
最多只允许一条Key为null，允许多条Value为null。
非线程安全，如果需要满足线程安全，可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使 HashMap 具有线程安全的能力（通过互斥锁实现），或者使用 ConcurrentHashMap。 - Hashtable
与 HashMap 类似，但是它承自Dictionary类。
key、value值均不可为 null。
线程安全，任一时间只有一个线程能写Hashtable，并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁（JDK1.7），(JDK1.8 使用了volatile + CAS + synchronized） - LinkedHashMap
是HashMap的一个子类。
有序存储，保存了记录的插入顺序。
非线程安全。 - TreeMap
实现SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器。
在使用TreeMap时，key 必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出java.lang.ClassCastException类型的异常。
因此key不可以为null，value则不受影响。
非线程安全 。
对于上述四种Map类型的类，要求映射中的key是不可变对象。不可变对象是该对象在创建后它的哈希值不会被改变。如果对象的哈希值发生变化，Map对象很可能就定位不到映射的位置了。
类继承关系如下图所示：
存储结构
使用 数组 + 链表 + 红黑树 的方式存储键值对。
在 JDK1.7 及之前，HashMap是 数组 + 链表 实现的存储结构。
在 JDK1.8 添加了红黑树部分。众所周知，当链表的长度特别长的时候，查询效率将直线下降，查询的时间复杂度为 O(n)，因此，JDK1.8 把它设计为达到一个特定的阈值 (链表长度> 8 且 数据大小 >= 64) 之后，就将链表转化为红黑树。由于红黑树，是一个自平衡的二叉搜索树，因此可以使查询的时间复杂度降为 O(logn)。
HashMap 使用哈希表来存储，并且用链地址法解决冲突。
哈希表为解决冲突，可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题，HashMap采用了链地址法。
链地址法，简单来说，就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。
public class HashMap extends AbstractMap
implements Map, Cloneable, Serializable {
// 哈希桶数组，放所有Node节点
transient Node[] table;
// 普通单向链表节点类
static class Node implements Map.Entry {
final int hash; // key的hash值，用来定位数组索引位置
final K key;
V value;
Node next; // 链表的下一个node
Node(int hash, K key, V value, Node next) {... }
public final K getKey(){ ... }
public final V getValue() { ... }
public final String toString() { ... }
public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); }
public final V setValue(V newValue) { ... }
public final boolean equals(Object o) { ... }
}
// 红黑树节点
static final class TreeNode extends LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry {
TreeNode parent; // red-black tree links
TreeNode left;
TreeNode right;
TreeNode prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red; //当前节点是红色或者黑色的标识
TreeNode(int hash, K key, V val, Node next) { ... }
final TreeNode root() { ... }
static void moveRootToFront(Node[] tab, TreeNode root) { ... }
final TreeNode find(int h, Object k, Class kc) { ... }
final TreeNode getTreeNode(int h, Object k) { ... }
static int tieBreakOrder(Object a, Object b) { ... }
final void treeify(Node[] tab) { ... }
final Node untreeify(HashMap map) { ... }
final TreeNode putTreeVal(HashMap map, Node[] tab, int h, K k, V v) { ... }
final void removeTreeNode(HashMap map, Node[] tab, boolean movable) { ... }
final void split(HashMap map, Node[] tab, int index, int bit) { ... }
static TreeNode rotateLeft(TreeNode root, TreeNode p) { ... }
static TreeNode rotateRight(TreeNode root, TreeNode p) { ... }
static TreeNode balanceInsertion(TreeNode root, TreeNode x) { ... }
static TreeNode balanceDeletion(TreeNode root, TreeNode x) { ... }
static boolean checkInvariants(TreeNode t) { ... }
}
}
HashMap的容量是多少
- 默认容量是 16 ( 1 << 4 )。
- 最大容量是 2^30 ( 1 << 30 )。
- 可通过构造方法传入初始化容量，HashMap会通过计算完成最终容量的计算，HashMap的容量一定是n次幂。
- HashMap会在容量不足的时候自行 resize 进行扩容，每次扩容2倍。
// 默认的初始化容量为16，必须是2的n次幂
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
// 最大容量为 2^30
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认的加载因子0.75，乘以数组容量得到的值，用来表示元素个数达到多少时，需要扩容。
// 为什么设置 0.75 这个值呢，简单来说就是时间和空间的权衡。
// 若小于0.75如0.5，则数组长度达到一半大小就需要扩容，空间使用率大大降低，
// 若大于0.75如0.8，则会增大hash冲突的概率，影响查询效率。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// map中的实际键值对个数，即数组中元素个数
transient int size;
// 每次结构改变时，都会自增，fail-fast机制，这是一种错误检测机制。
// 当迭代集合的时候，如果结构发生改变，则会发生 fail-fast，抛出异常。
transient int modCount;
// 数组扩容阈值
// 要调整大小的下一个大小值（容量*加载因子）。
int threshold;
// 加载因子
final float loadFactor;
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
public HashMap(Map m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
// 可指定期望的初始容量。
// 为什么是期望?
// 因为容量要求一定是2的n次幂，如果传入的不符合，后面会计算使容量确定为仅大于该值的最小2次幂数
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 可指定期望容量和加载因子，不建议自己手动指定非0.75的加载因子
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);
this.loadFactor = loadFactor;
// 通过 tableSizeFor 方法保证容量总是2的n次幂。
// 这里没有将值直接赋值给 capacity，而是赋值给扩容阈值threshold
// threshold 是要调整大小的下一个容量阈值
// 因为扩容的存在，capacity是会变化的，
// 所以，容器扩展到指定大小的任务交给resize方法即可。
// 这里只要指定下一次所需要扩容的容量大小，
// 在put第一次初始化哈希桶的时候，直接通过resize方法扩展至指定容量大小。
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
// 思考 ？
// 这里的 threshold 为什么没有考虑加载因子。 详见resize
}
HashMap的容量如何保证一定是2的n次幂
- 在构造方法中通过 tableSizeFor 方法进行运算。
tableSizeFor 方法中采用了将原始数值进行无符号右移（>>>），再进行2进制按位或运算，这样等价于高位1不断右移，补充至末尾后，最后进行+1的操作，完成比原始数值大的最接近的2的次幂数计算。 - 扩容时，每次扩容都是扩容 2倍。
- 这里选择了无符号右移（>>>）的操作，想想为什么不用有符号右移（>>）？
从源码可见，虽然调用 tableSizeFor 方法之前都有控制传入的参数cap要求大于0，
但是从源码return来看，是有考虑cap出现小于等于0的情况。如果n出现负数，则有符号和无符号的右移操作将出现极大的差别。有符号计算高位补1，无符号补0。
// 最大容量为 2^30
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
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;
}
我们以随意选一个数值运算来看下具体变化。
// 初始数值 37 ，仅以后八位示例
0010 0101 cap = 37
-----------
0010 0100 n = cap - 1 = 36
0001 0010 n >>> 1
-----------
0011 0110 按位或 |=
0000 1001 n >>> 2
-----------
0011 1111 按位或 |=
0011 1111 之后 n >>> 4, n >>> 8, n >>> 16 按位或的结果都是0011 1111
判断是否超过最大值，是则返回最大值 2^30。不是则返回n+1
0100 0000 未超过 , n + 1 = 2^6 = 64
- 之前有人问
这里return的时候判断了n < 0 则返回1，因为默认容量为 16。所以此处是否可以直接返回默认值
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 。
即
return (n < 0) ? DEFAULT_INITIAL_CAPACITY : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
不行。因为是可以设置容量小于16的，比如1，2，4，8。默认容量为16并不代表最小容量为16。不要把默认值和最小值搞混了。虽然，不建议设置这么小的值，会导致频繁扩容。
关于扩容 resize
刚才说容量的时候有提到扩容，扩容就是重新计算哈希桶的容量。
当然，Java中数组是无法自动扩容的。
HashMap 使用了一个新的哈希桶数组代替已有的容量小的数组，并将已存储的值重新计算位置放入新的哈希桶中。
- 扩容时首先会判断旧哈希桶的容量
1.如果旧容量 大于0，说明可以直接扩容，这里先判断是否超过最大值，没有的话直接进行2倍扩容，扩容阈值也直接扩大2倍。
2.如果旧容量 不大于0 ，会先判断扩容阈值 threshold ，如果 threshold > 0 ，表示构造函数进行了容量设置，这里会将 threshold 直接给赋值给哈希容量。
这里的 threshold 比较特殊，在构造函数中，是直接将期望容量赋值给 threshold 的，所以这里的 threshold 并未与加载因子挂钩，仅作为期望容量的一个初始载体，赋值给容量之后，就会进行加载因子的计算，得到准确的 threshold 进行扩容的阈值控制。
3.如果 旧容量不大于0，扩容阈值也不大于0。完全未初始化，也没有期望容量的设置，这里直接取了默认容量16和默认阈值 16*0.72 = 12。 - 确认好初始化容量和扩容阈值之后，就会生成新的哈希桶了
- 然后判断旧的哈希桶是否有值，没有值的话直接扩容完毕。有值的话需要将值迁移至新的哈希桶中。
遍历哈希桶，取出桶中的Node，顺手将旧桶指引置空，判断是链表还是红黑树，然后做不同操作。
1.单个数据
直接计算 index = h.hash & (newCap - 1)，然后放入新的哈希桶中。
2.红黑树结构
拆解红黑树，通过 e.hash & oldCap 是否为0 来判断其中数据是否需要移位。需要位移则移入高位树中，必要时（数据量 <= 6）进行反树化，退化为链表结构。
3.链表结构
遍历链表，通过 e.hash & oldCap 是否为0 来判断其中数据是否需要移位。需要位移则通过尾插法插入高位链表中。JDK1.8 使用的尾插法可以避免 JDK1.7 中链表头插法形成环状结构导致死循环。 - 不论链表还是红黑树，均使用 index + oldCap 的方式确认高位index
为什么这么用。我们看完源码稍后举例细说。
// 默认的加载因子0.75，乘以数组容量得到的值，用来表示元素个数达到多少时，需要扩容。
// 为什么设置 0.75 这个值呢，简单来说就是时间和空间的权衡。
// 若小于0.75如0.5，则数组长度达到一半大小就需要扩容，空间使用率大大降低，
// 若大于0.75如0.8，则会增大hash冲突的概率，影响查询效率。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 数组扩容阈值
// 要调整大小的下一个大小值（容量*加载因子）。
int threshold;
// 加载因子
final float loadFactor;
final Node[] resize() {
// 旧数组
Node[] oldTab = table;
// 旧数组的容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
// 旧的扩容阈值
int oldThr = threshold;
// 新的容量及扩容阈值
int newCap, newThr = 0;
// 1.当旧数组的容量大于0时，直接扩容。
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 新容量为旧容量的2倍 newCap = oldCap << 1
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
// 扩容阈值也扩大两倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 2. 反之小于0 说明还未进行过初始化 。
// 但是oldThr > 0 说明设置了期望的初始容量 => public HashMap(int initialCapacity)
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
// 3. 均小于0，说明均未初始化，设置默认值即可。
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; // 1 << 4 aka 16
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); // 16 * 0.75
}
// 来自于上面的第2中情景，需要重新计算正确的扩容阈值
// 结合上方的情况2 和 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)方法理解
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
// 赋予 threshold 正确的值，表示数组下次需要扩容的阈值
threshold = newThr;
// 创建扩容后的哈希桶数组
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
table = newTab;
// 如果原来的数组不为空，那么我们就需要把原来哈希桶数组中的元素重新分配到新的数组中
// 如果是空，则是第一次调用resize初始化数组，因此也就不需要重新分配元素
if (oldTab != null) {
// 遍历旧数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node e;
// 取得桶中的链表 Node e；
if ((e = oldTab[j]) != null) {
// 将旧数组中的引用置空，释放引用。
oldTab[j] = null;
// 1. 如果当前元素的下一个元素为空，则说明此处只有一个元素
// 则直接用它的hash()值和新数组的容量取模就可以了，得到新的下标位置。
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
// 2. 如果是红黑树结构，则拆分红黑树，必要情况下可能退化为链表
((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
// 3. 当前是链表结构，判断是否需要移动链表元素的位置
// 区别于JDK1.7，这里使用尾插法
// loHead loTail 下标位置不变（低位）的链表头尾节点
Node loHead = null, loTail = null;
// hiHead hiTail 需要移动位置（高位）的链表头尾节点
Node hiHead = null, hiTail = null;
Node next;
do {
next = e.next;
// 这里不需要重新在计算hash值，
// 将原有 hash 和 oldCap 与运算为 0 ，表示位置不变。
// 详见 hash() 方法分析 结合 resize ，put的下标计算
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
// 需要移动到新位置的Node
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 当前链表有不需要移动的数据，索引不变，放入新哈希桶中
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 有需要移动的数据，新位置数组索引为原索引加上旧数组的容量
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
// 新位置下标为 旧位置索引 + oldCap
// 详见 hash() 方法 结合 resize 和 put 方法。
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
为什么可以通过 e.hash & oldCap 是否为0 判断是否移位
首先，我们从 putVal() 方法中可以看到，哈希桶计算 index 的时候使用的
tab[i = (n - 1) & hash]，而 n = tab.length。
所以
i = (tab.length - 1) & hash
其实相当于对哈希桶长度取模操作，但是二进制算法效率更高。
例：
// 假设 n = 16 ， hash 为 14
14 % 16 = 14
14 & （16 - 1）= 14
0000 1110 14
0000 1111 & 15
------------------
0000 1110 14
===================
// 假设 n = 16 ， hash 为 18
18 % 16 = 2
18 & （16 - 1）= 2
0001 0010 18
0000 1111 & 15
------------------
0000 0010 2
确认完这个逻辑后，我们从 resize 方法了解到，HashMap 每次扩容都是2倍扩容。从二进制考虑，就是tabLength多了1位。在 hash 不变的情况下，低位计算不会变化，那么只要考虑只计算这多出来的1位高位就行。
- 如果计算结果等于0，代表与之前的取模运算结果一致。
- 如果等于1，则表示取模结果比之前低位的基础上，多了高位的1，而这一位高位的数值大小，正好是oldCap。
// 假设 n = 16 ， hash 为 18
18 % 16 = 2
18 & （16 - 1）= 2
0001 0010 18
0000 1111 & 15
------------------
0000 0010 2
扩容后。 hash不变，n = 16 * 2 = 32
18 % 32 = 18
18 & （32 - 1）= 18
0001 | 0010 18
0001 | 1111 & 31
------------------
0001 | 0010 18 = 2 + 16 = index + oldCap
计算结果低位未变，新增高位计算结果不为 0
需要移位，且移位大小为 index + oldCap
HashMap 是如何计算 hash 值的
- 如果key == null，直接返回 0
由此可见，HashMap 是支持 key == null，这种情况的。
并且由于hash为0，所以一定存在于哈希桶的第 0 位的桶内 （index = hash & ( tab.length - 1)）。 - 取得key的hashCode，并进行无符号右移16位，再进行异或操作。
hashCode是一个32位的数值，右移16可以让高位影响低位，以减少哈希碰撞。
这个方法又被称作：扰动函数
static final int hash(Object key) {
int h;
// h = key.hashCode() 取hashCode值
// h ^ (h >>> 16) 高位参与运算
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
为什么这样操作可以减少哈希碰撞？
我们之前的内容也了解到了，哈希桶的插入位置是类似取模的操作。其实就是只有hash值的后n位有效，n是由哈希桶长度决定的。大部分时候，哈希桶的长度都是比较小的，可能只有涉及到4到6位左右的计算。
那么，如果两个hash值只要低位相同就会发生碰撞，哪怕高位不同也不行。而扰动函数进行高位右移与低位异或，等于将高位特征参与到低位中去，就能避免部分hash值低位相同，高位不同的碰撞问题。
在JDK1.7中，扰动函数是经过多次右移操作的，但是JDK1.8考虑到效率问题，多次右移并未有较为显著的提升效果，故一次右移已满足需求，更多考虑到效率及性能的一个交换。
如果我讲的不够明白，大家可以参考文章尾部的几篇链接，有大佬进行图文并茂的讲解。
简述数据插入 hashMap.put(K,V);
说了这么多，终于来到了这个环节，很多人在博客中可能喜欢先讲这部分，再补充其它点。但就我个人而言，可能上面的内容更加吸引我吧~ 哈哈。
- 先通过扰动函数处理和计算key的hash值，并作为最终hash值使用。
- 判断当前哈希桶是否初始化，没有的话，就通过调用 resize() 方法进行初始化。我们刚才讲 resize() 的时候有说过。
- 通过 (n - 1) & hash 确认哈希桶中的位置
- 如果当前位置节点为空，则直接存入。
- 不为空的话，判断首节点的key和hash是否相同
相同则替换
不同就向下找。 - 确认向下是链表结构还是红黑树结构
红黑树就插入红黑树
链表就插入 - 链表使用尾插法插入
插入过程中
如果有同值的key，就替换
没有，则会遍历至链表尾部，在尾部插入新值，然后检查当前链表是否达到树化阈值 (8)，达到则转化为红黑树结构。
但是最终是否转化为红黑树，还要看当前容量是否达到最小树化容量阈值 (64)，只有达到了才会真正转为红黑树，否则只会进行 resize() 扩容。 - 最后，如果是插入新值，则需判断当前容量是否需要再次扩容。
- 完毕。
下面请结合源码再过一遍。
// 当链表长度超过阈值8 就会尝试转化为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 链表转化为红黑树，除了有上面阈值的限制
// 还需要数组容量至少达到64，才会真正树化，否则只会扩容
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 通过扰动函数计算key的 hash 值，然后进行存储
// 如果当前 key 已经有 value ，则替换并返回被替换的value ，如果没有，则返回 null。
public V put(K key, V value) {
// 先调用了 hash(key)
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key 经过扰动函数处理过的hash值
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 如果是true，则不替换value
* @param evict if false, the table is in creation mode. 如果是false，则表示处于创建模式。
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node[] tab; Node p; int n, i;
// 判断哈希桶是否为空，如果是空，通过resize()方法进行初次初始化。
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 通过 (n - 1) & hash 确认哈希桶中的位置
// 如果当前位置节点为空，则直接存入K，V创建Node存入。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
// 当前节点有值，分成三种情况分析
Node e; K k;
// 1. 比较首节点的hash值，key值，如果相同，则替换
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
// 2. 当前节点为红黑树，将值加入红黑树中
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// 3. 当前结构为链表，使用尾插法将值添加至链表尾部
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
// 到达链表尾节点，添加数据
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 减一是因此处从首节点之后开始便利
// 插入之后，链表长度达到树化阈值 8，尝试转化为红黑树结构
// treeifyBin() 中会判断容量是否达到 MIN_TREEIFY_CAPACITY (64)
// 达到了才会真正树化，否则只会扩容
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 遍历中，找到了相同的Key，跳出循环
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// e 不为空，表示当前HashMap已经存在这个key，判断是否需要替换
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
// onlyIfAbsent 为 false，替换旧值，并返回被替换的旧值
e.value = value;
// 空实现，在LinkedHashMap中有实现，用于LinkedHashMap的排序问题
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// fail - fast 机制
++modCount;
// 插入完毕，size + 1
// 判断插入后的大小是否达到扩容阈值，达到则进行扩容
if (++size > threshold)
resize();
// 空实现
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
树化和反树化
- 树化
只有在插入的时候会触发，即插入数据后，链表达到树化阈值 (8) 之后尝试进行树化操作。
但是在 treeifyBin() 方法中还会判断当前容量是否达到 64，只有达到才会真正进行树化，否则只会进行 resize() 扩容。
// 当链表长度超过阈值8 就会尝试转化为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 链表转化为红黑树，除了有上面阈值的限制
// 还需要数组容量至少达到64，才会真正树化，否则只会扩容
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
...
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 减一是因此处从首节点之后开始便利
// 插入之后，链表长度达到树化阈值 8，尝试转化为红黑树结构
// treeifyBin() 中会判断容量是否达到 MIN_TREEIFY_CAPACITY (64)
// 达到了才会真正树化，否则只会扩容
treeifyBin(tab, hash);
...
}
final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) {
int n, index; Node e;
// 确认容量是否达到树化阈值 MIN_TREEIFY_CAPACITY (64)
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
// 未满足树化要求，通过resize() 初始化扩容
resize();
// 确认需要转化的节点不为 null
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
// 开始转化为红黑树结构
TreeNode hd = null, tl = null;
do {
// 链表节点Node 转化为 红黑树节点TreeNode
TreeNode p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
// 转化为红黑树
hd.treeify(tab);
}
}
- 反树化
有树化就有反树化。
反树化主要发生在两个过程中
- resize() 扩容时
我们之前在说 resize() 扩容的时候，如果遇到需要移动位置的元素，并且是红黑树结构的话。
就会拆分红黑树 split() ;
当红黑树的拆分的过程中，容量退化到 UNTREEIFY_THRESHOLD ( 6 ) 之后，红黑树就会退化为链表。 - remove操作
当从 HashMap 中移除数据时也会触发。
但是这里有点小特殊，我们从源码中可以看到，这里并没有对 UNTREEIFY_THRESHOLD 的判断，
只在红黑树 root == null || root.right == null || (rl = root.left) == null || rl.left == null) 的时候触发退化。
大概就是深度小于2的时候。
根据红黑树的结构特性，大概发生于 元素 2 到 6 个之间。
源码中也有对应的注释说明。
If the current tree appears to have too few nodes, the bin is converted back to a plain bin. (The test triggers somewhere between 2 and 6 nodes, depending on tree structure).
// 如果红黑树种的元素减少至 6 个时，退化为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
final Node[] resize() {
...
else if (e instanceof TreeNode)
// 2. 如果是红黑树结构，则拆分红黑树，必要情况下可能退化为链表
((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
...
}
static final class TreeNode extends LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry {
...
final void split(HashMap map, Node[] tab, int index, int bit) {
...
if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
// 拆分过程中元素减少到6个，触发反树化，退化为链表
tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
...
}
/**
* Removes the given node, that must be present before this call.
* This is messier than typical red-black deletion code because we
* cannot swap the contents of an interior node with a leaf
* successor that is pinned by "next" pointers that are accessible
* independently during traversal. So instead we swap the tree
* linkages. If the current tree appears to have too few nodes,
* the bin is converted back to a plain bin. (The test triggers
* somewhere between 2 and 6 nodes, depending on tree structure).
*/
final void removeTreeNode(HashMap map, Node[] tab, boolean movable) {
...
if (root == null || root.right == null ||
(rl = root.left) == null || rl.left == null) {
// 红黑树太小了，退化为链表，大概发生于 2 到 6 nodes
tab[index] = first.untreeify(map); // too small
return;
}
...
}
final Node untreeify(HashMap map) {
Node hd = null, tl = null;
for (Node q = this; q != null; q = q.next) {
Node p = map.replacementNode(q, null);
if (tl == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
return hd;
}
...
数据的查询获取 hashMap.get(K)
其实前面说了那么多，所有的设计都是为最终 get 服务的。
然而到 get(K) 方法反而简单了很多。
内心：废话，不简单，怎么做到快狠准！
哈哈哈，咱们接着聊
- 还是通过扰动函数 hash(key) 拿到那个要找的hash
- 如果桶是空的，或者通过**((tab.length - 1) & hash)**确认要找的位置上是空的，别说了，没找到，就是空！
- 如果不是空，老规矩，先瞅瞅这个首节点的hash和key对的上么，对上了就返回。
- 首节点不是，就需要确认下有没有下个节点了。
- 如果有下个节点，看看是红黑树还是链表。
- 然后完了。链表就找链表，红黑树就找红黑树。各回各家，各找各妈。
- 哦，都没找到。那就是没有呗。null！
咱们在跟着源码简单过一遍
public V get(Object key) {
Node e;
// 通过扰动函数 hash(key) 拿到那个要找的hash
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;
// 哈希桶有值，并且 (n - 1) & hash 位置上也有值，就进去
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 先瞅瞅首节点呗。你看，注释都说always了。
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 就是它！返回
return first;
// 首节点不是，接着往下找
if ((e = first.next) != null) {
// next节点存在，分两种情况
// 1. 当前桶里是红黑树
if (first instanceof TreeNode)
// 从红黑树里取
return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
// 2. 当前桶里是个链表
do {
// 遍历链表
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 啥都没找着，返回 null
return null;
}
参考文献
文中有大量的参考内容，大佬写的是真的好，有部分是我结合自己的理解，做了不少改动之处。
大家可以尝试阅读以下原创，加深理解，或者指正我理解错误的地方。
欢迎指导和交流。
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/
Java 8系列之重新认识HashMap <美团技术团队>
面试官再问你 HashMap 底层原理，就把这篇文章甩给他看
一个HashMap跟面试官扯了半个小时
知乎 - 解读HashMap中hash算法的巧妙设计
知乎 - 胖君 - HashMap 的 hash 方法原理是什么
An introduction to optimising a hashing strategy