【HashMap】1w字解析HashMap底层部分源码

今天博主带着大家来康康我们平常面试经常被提到的HashMap,博主今天会带着老铁们仔仔细细的阅读一样hashMap的底层代码。同时说一说平常面试中考到的有关于hashmap的题解。

1.谈一下你对HashMap的理解？

其实此时面试官说出这个问题，是一个泛泛的问题，没有具体的表示他想知道有关于HashMap的什么内容。

那么我们其实可以这样回答。

就直接把有关于HashMap的这个数据结构的特性直接往出说。

就是我们在使用HashMap的时候，使用这个类中的方法，其实就是为了提高时间效率，这个类的增删查改的时间复杂度为O(1).

因为HashMap中的put()-----添加元素，初始化一个这个类对应的对象的时候，就是hashMap map = new HashMap<>(), 这里的K表示的是是一个key(键)，V表示的是key对应的Value值。就是我们可以使用这个key找到对应的value。使用get(K) ---- 找到K对应的元素，就可以找到K对应的Value值。

在jdk1.7 中 使用put()方法存储对象的时候，采用的是数组+链表

在jdk1.8中 使用put()方法存储对象的时候，采用的是数组+链表 + 红黑树

2. 说一下HashMap的put()方法是怎样实现的？

那么我们现在就从HashMap中的源码看起!!!

我们现在从这个简单的一个实例说起。HashMap map = new HashMap<>() 按住Ctrl，然后鼠标点击new 后面的这个HashMap进入HashMap.java文件----HashMap的源码。在研究源码的时候，博主主要说重要的部分。

我们此时可以看到这个HashMap类继承自 AbstractMap类 实现了Map, Cloneable, Serializable类中的抽象方法。但是我们可以通过AbstractMap的源码中看到其实这个类也实现了Map接口。其实HashMap类继承这个 AbstractMap类 就是一个多余的。可以把它去掉。但是HashMap源码官方也知道这个继承是多余的，但是人家就是不改，你能把我咋滴

起先我们这里先定义了一些要在put()等方法中要是用到的常量。

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

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY:表示的是默认初始容量为16

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

MAXIMUM_CAPACITY:表示的是容量的最大值为 1 << 30 1向左移动30位，这是一个很大的数字。

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

DEFAULT_LOAD_FACTOR:表示的是默认的负载因子是0.75

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

TREEIFY_THRESHOLD:表示的是满足链表转红黑树的原由之一，就是当链表链表的长度大于8的时候，链表就会发生树化，转变成为红黑树。

static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

UNTREEIFY_THRESHOLD:表示的是由红黑树转变成为链表的节点数临界值，当红黑树中的节点小于6个的时候，此时就会有红黑树转变成为链表。

static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

MIN_TREEIFY_CAPACITY:直译为最小树化容量，表示的是当hash数组的长度小于64 的时候，就实现hash数组扩容，当hash数组的长度大于64的时候，就把hash数组中的每个位置中的链表变成红黑树。

size:表示的是此时有几个key - value键值对在map中。

modCount:表示的是在hash数组中一个下标位置中一个链表挂了多少个Node类型的节点

threshold:表示的是hash数组中的阈值，如果在hash数组中要存储的节点要占用大于threshold大位置，那么此时就要对数组扩容。

loadFactor: 表示的是负载因子

Node[]table: 表示的是要 创建一个Node类型的数组 。那么这个Node类型中有哪些属性呢？

在一个Node类型的节点中包括：这个节点对应的hash码,key – 表示添加到map中的键，Value—表示key对应的值，next表示的是在发生hash冲突的时候，在这个数组对应的位置的这个节点后在添加一个节点，那么此时的这个next这个后继指针指向这个节点。在jdk1.8中在链表中插入节点的时候使用的是尾插法，在jdk1.7中使用的是头插法。

我们还可以在这个Node类中看到它实现了Map.Entry这个接口。

那么这个hash码是什么呢？其实这是使用这个节点中的key然后在调用hashCode()方法，再异或上一个扰动函数(h >>> 16 使用计算出来的 h 无符号向右移动16位)

在hashMap中，允许key为null,如果此时的key为null,那么就直接返回一个0

那么我们已经使用hashCode方法计算出来了一个hash码，为什么还要异或上一个扰动函数呢？

其实就是进行的二次散列，就是在一定程度上的解决hash冲突。因为进行一次散列之后，有可能有好多的节点中的hash码是一样的，如果hash码是一样的，那么再经过一个计算这个节点在hash数组中的位置的一个算式其实这个算式就是(hash & n - 1)这里的 n 表示的是此时的hash数组长度。那么此时在不扩容的情况下，节点的位置在哪,就完全是由hash码来决定的，如果这些节点中的大部分hash码都是相同的，那么在添加到hash数组中的时候，就会出现很大程度上的hash冲突。

在这个HashMap的有参构造方法中 initialCapacity ：表示的是用户传来的初始hash容量，loadFactor:表示的是用户传来的负载因子。我们发现在确定hash数组长度的时候有一个tableSizeFor()方法。

在这个方法中 if(initialCapacity < 0)表示的是如果此时的初始容量小于0，那么就会抛出异常，还有就是if(initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)表示的是如果初始容量大于最大容量，就让把最大容量赋予这个初始容量。还有if(loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)):表示的是如果负载因子小于等于0 或者 NaN（Not a Number，非数）是计算机科学中数值数据类型的一类值，表示未定义或不可表示的值。也就是说如果此时的loadFactor值一个未被定义的值。那么就抛出异常。

其实上面的这些if语句，如果在输入符合规则的话就不会被执行。当然这也体现出了Java代码的健壮性.

这个方法的主要功能就是：把用户传来的初始容量经过一系列的位运算得到一个2 ^ n的值，就是距离这个cap,最近的2 ^ n。那么为什么要创建一个 2 ^ n长度的hash数组呢? 我们在后面具体说明。

在这个有一个参数的HashMap(int initialCapacity)构造方法中，就是用户传进来一个默认初始容量，

然后再调用this这里的this再调用有两个参数的构造方法也就是 public HashMap(int initialCapacity,float loadFactor)这个方法。还是操作一样的程序。

这个无参的构造方法也是一样的，就是设置了它的负载因子，然后在进行public HashMap(int initialCapacity,float loadFactor)这个方法。

那么我们接下来就正式的看看关于HashMap的put()方法

我们在调用HashMap的put()方法的时候，也就是在map中存储key-value值，就会向这个put()方法传入我们要存入的key 和 value值。我们在put()方法的源码中看到，返回了一个putVal()的返回值。

在这个putVal()方法中，

hash(key)(使用key来计算hash码)

key — 键

value ---- 值

onlyfAbsent(如果当前位置已存在一个值，是否替换，false是替换，true是不替换) — false

evict(表是否在创建模式，如果为false，则表是在创建模式。) — true

hash数组中添加节点的第一种类型：

总结一下在hash数组中添加节点的第一种类型：

总体来说就是

1. 判断当前的table为不为空，它的长度是不是0，如果是的话就创建出一个新的Tab并且使用resize()方法，得到这个数组的长度，和数组扩容阈值.

2. 然后在使用传来的hash码，计算出这个节点应该落在hash数组的哪个下标上。

   图例：
   

3. 再然后一个hash数组中的下标位置中的节点数binCount++,判断此时的size是否大于数组扩容阈值。返回一个null
   

hash数组中添加节点的第二种类型：

那么如果我现在又在hash数组中添加一个和我之前添加到hash数组中的节点中的key值是相同的节点。也就是我之前添加的是map.put(“张三”,“123”),我现在有添加一个map.put(“张三”,“456”).那么此时在hash数组中我们是如何把这个节点添加的？

还是康康我们的源码，写源码的大佬是永远的神，写的源码几乎没有一句是废话的，如果你把hashMap的源码读通了，你就会觉得自己是多么的渺小，大佬还是依然的大佬。

总结一下在hash数组中添加节点的第二种类型：

其实这种情况就是有节点中的key和以前在hash数组中添加的节点中的key值是相同的，那么它们两个计算出来的hash码也是一样的，那么在使用hash& (n - 1)得到的在数组中的位置也是一样的。那么此时这个新的节点中的value值就会把以前的这个位置上相同的key值的节点中的value替代。但是在返回的时候，返回的是以前的value.

图例：

hash数组中添加节点的第三种类型：

那么如果在hash数组中添加节点的时候，如果我们此时的key值计算之后，得到的hash码，然后在根据hash码得到的这个节点要添加到的hash数组的位置下标，如果这个下标的位置已经有节点把这个位置给占了。那么此时就是所谓的hash冲突或者hash碰撞,那么此时该怎么办呢？

还是接着看看我们的HashMap的底层源码

总结一下在hash数组中添加节点的第三种类型：

其实在这个putVal()的源码中的那个死循环就是要找到链表的最后一个节点，最后一个节点，在接上新插入的节点。

如果我们当前在hash数组中添加节点的时候，map.put(“李四”,“123”),此时使用key去计算hash码，在使用hash码经过hash & (n - 1)找到位置，但是此时的这个位置还是被以前的节点给占了，但是这两个节点的key值是不一样的，只是他们两个节点的hash码可能是一样的。但是也有可能是不一样的。就比如说，我现在有一个hash码为17 有一个hash值为21 同时 & (10 - 1)

17: 00000000 00000000 00000000 0001 0001 21: 00000000 00000000 00000000 0001 0101

9: 00000000 00000000 00000000 0000 1001 9: 00000000 00000000 00000000 0000 1001

&

00000000 00000000 00000000 0000 0001 00000000 00000000 00000000 0000 0001

那么我们此时可以看到不同的hash码，可能得到相同的hash数组下标，正如上面 17 & (10 - 1) = 1

21 & (10 - 1) = 1,两个节点应在的hash数组下标为1，也就有了hash冲突，所以说hash冲突时依然存在的，我们只能想办法让产生hash冲突的概率变低。

那么我们在数组中的同一个下标下的位置，我们此时采用的是拉链法，就是把计算相同位置的节点使用链表串起来，在jdk1.8中使用的是尾插法，在jdk1.7中使用的是头插法。

图例：

hash数组中添加节点的第四种类型：

那么这个就是最后一种在hash数组中添加节点的类型。数组中的每个下标中链表的节点个数大于8，并且 hash数组的长度大于64 一定要记着还有一个条件就是hash数组的长度大于64，要不然在面试和时候，面试官提问题这个问题，你说个链表中节点的数目大于8，这就正好调到了面试官的圈套了,还是让我们看看HashMap的源码吧！！！

总结一下在hash数组中添加节点的第四种类型：

当hash数组中的某个下标位置下的链表的个点个数8，并且hash数组的长度大于64 ,此时就进行树化，但是在调用treeifyBin()这个方法的时候，并没有直接进行树化，而是先把下标位置的单向链表变成双向链表。

图例：

3. 为什么hashMap中的负载因子是0.75，为什么不会是0.5，或者1.0呢？

通俗来讲，当负载因子为1.0时，意味着只有当hashMap装满之后才会进行扩容，虽然空间利用率有大的提升，但是这就会导致大量的hash冲突，使得查询效率变低 此时你就要想一想阈值是不是也增大了，此时的阈值 = 16 * 1.0，那么就是hash数组被占满之后，才扩容，会有大量的hash冲突。

当负载因子为0.5或者更低的时候，hash冲突降低，查询效率提高，但是由于负载因子太低，导致原来只需要1M的空间存储信息，现在用了2M的空间。最终结果就是空间利用率太低。
负载因子是0.75的时候，这是时间和空间的权衡，空间利用率比较高，而且避免了相当多的Hash冲突 ，使得底层的链表或者是红黑树的高度也比较低，提升了空间效率。

4. 当初始化一个HashMap对象的时候，如果此时在HashMap<>()中传入一个整形参数，比如10，那么此时的hash数组是多长的？在Hash主数组中为什么它的长度必须为2 ^ n?

16

hash % length == hash & ( length - 1 ) 的前提是length是2的n次方； 为什么这样能均匀分布减少碰撞呢？2的n次方实际就是1后面n个0，2的n次方-1 实际就是n个1；

另外一个剪短的解释，2^n也就是说2的n次方的主要核心原因是hash函数的源码中右移了16位让低位保留高位信息，原本的低位信息不要，那么进行&操作另一个数低位必须全是1，否则没有意义，所以len必须是2 ^n ，这样能实现分布均匀，有效减少hash碰撞！

5. 为什么我们在使用hash码找到这个节点在数组中的位置的时候，使用的是hash & (n - 1) 为什么要 -1？还有就是为什么不使用%操作？

首先这里的 计算节点在hash数组中的位置的式子 hash & (n - 1) 等效于 hash % n。等效的前提是n 必须是2的整数位。 简单的说就是把这些hash码赋到hash数组中的每个下标位置。但是在HashMap源码中不使用 hash % n 是因为 hash % n 不是位运算，hash & (n - 1)位运算，可以很快的计算出结果。其实% 还是使用 除法 和 减法得到的。这里的 % 没有 & 高效。

这里不使用 hash & n 主要是防止hash冲突，防止在hash数组中的位置冲突。

如果说此时的n = 8 hash = 3 此时使用n - 1 hash = 2

hash : 00000000 00000000 00000000 0000 0011 00000000 00000000 00000000 0000 0010

n: 00000000 00000000 00000000 0000 0111 00000000 00000000 00000000 0000 0111

& 00000000 00000000 00000000 0000 0011 00000000 00000000 00000000 0000 0010

如果此时 没有 - 1

hash: 00000000 00000000 00000000 0000 0011 00000000 00000000 00000000 0000 0010

n: 00000000 00000000 00000000 0000 1000 00000000 00000000 00000000 0000 1000

& 00000000 00000000 00000000 0000 0000 00000000 00000000 00000000 0000 0000

那么此时这两个节点都要被放到同一个下标之下的链表中，就产生了hash冲突。所以说使用hash & (n - 1) 可以有效的减少hash冲突

6. 当你想使用HashMap的时候，此时初始化了一个map对象，那么此时的hash数组此时建立了吗？

那么就是HashMap map = new HashMap<>() 创建出了一个map实例。至于有没有在实例的时候，创建出了hash数组，还是要看看我们的源码 。

其实当我们创建实例的时候，调用了一个无参的构造方法，在这个构造方法中，只是设置了当前的负载因子 为 DEFAULT_LOAD_FACTOR 默认的负载因子为0.75.那就没有在实例化一个map的时候，创建出一个hash数组。

7. 说一下HashMap是怎样扩容的？

谈到HashMap扩容还是要说说我们的源码滴。

看源码!!!源码是一个非常适合学习的东西，倘若你把一个封装类的源码读懂了，你将会有极大的成就感。

扩容机制的第一种情况：

总结一下hash数组扩容的第一种情况：

我们使用一个简答的例子，就例如说此时的hash数组的长度为默认的16，那么此时的扩容阈值也自然是16 * 0.75 = 12,当实际在数组中用到的空间位置大于12的时候，就会进行扩容，在HashMap扩容的时候，我们可以通过上述的源码得知，它生成了一个长度为 2 * oldCap的新的hash数组(newTab)，我们就要把旧的在oldTab中的节点，迁移到newTab中.在HashMap中实现的是2倍扩容，newTab.length = 32 newThr = 24

那么在迁移的过程中就有3种情况

1. 当此时oldTab中的这个下标下的节点只有一个 即 e.next == null

2. 此时oldTab中的这个下标下的节点大于1个但是没有大于8个,就形成了一个链表

3. 此时的oldTab中的这个下标位置的节点，组成了红黑树。

第一种情况：

阅读过源码之后，知道在oldTab中的这个下标中的节点只有一个的时候，即oldTab[j].next == null的时候，直接使一个指针指向这个节点e，记住这个节点，然后把oldTab[j] = null,然后根据指针e指向的这个节点hash码，计算这个节点在newTab中的位置。注意此时的计算下标位置的算式为 hash & (newCap - 1) 是新数组的长度 - 1

图例：

扩容机制的第二种情况：

那么我们已经把在oldTab中的某个下标处的位置只有一个节点时，在hash数组扩容时迁移到newTab中的情况已经说明了。那么在一个下标处由于hash冲突，众多的节点构成了一个链表。那么我们该怎样把oldTab数组中挂的链表迁移到newTab中？在没有看代码之前，有的同学可能会想我可以根据链表的头节点，算出这个链表在newTab中的新的位置。这种说法其实是错误的，因为我们要 尽可能的缩小hash冲突，所以就会把一个长的链表分成两个。分别挂到newTab中的两个下标位置。

look 源码!!!

在这里我们简单的说一下什么是高四位，什么是低四位?

那么与这里的高四位二进制 和 低四位二进制 有什么关系呢?

此时的数组长度就为 32 计算节点在数组中的位置的式子为 hash & (n - 1) n 表示的是数组长度

31: 00000000 00000000 00000000 0001 1111

hash: 00000000 00000000 00000000 0000 1010

&

​ 00000000 00000000 00000000 0000 1010 和原数组中的位置是一样的

31: 00000000 00000000 00000000 0001 1111

hash： 00000000 00000000 00000000 0001 1010

&

​ 00000000 00000000 00000000 0001 1010 此时在新数组中的位置 = 原数组的长度 + 原本在数组中的位置

如果此时hash的高四位中没有和31中的高四位中的位数1对齐，那么此时就算出来的节点位置是和在原数组中的位置是相同的。如果在hash中的高4位有1和31中的高4位中的1对齐，那么此时这个节点的位置就是 原数组的长度 + 在原数组的具体位置的长度。那么我们就把这个下标下的所有节点都进行这样的运算之后，就可以得到上面所说的低四位链表 和 高四位链表。

但是有些同学会问，这里的e.hash & oldCap == 0 也是在判断这个hash对应的节点在高四位链表添加还是在低四位链表添加吗 对滴。

这个也能判断高低四位。

在高低位链表添加完节点之后，loTail、hiTail尾指针指向null,newTab连上loHead 、hiHead(链表的头节点)

总结hash数组扩容的第二种情况：

其实当我们要把oldTab中的每一个下标位置上的节点，迁移到newTab的时候，因为我们已经对数组扩容了，那么就能容纳更多的节点，也就有更多的链表，如果我们能把以前在oldTab中的节点组成的链表，在迁移过程中改成数组位置只有一个节点(其实这样是可能不存在的，当一个下标位置中的链表节点数大的时候)。在迁移的时候，我们把一个链表分成了两份。这样就有效的降低了hash冲突。

扩容机制的第三种情况:

那么此时就要到了如果在oldThr中的某个下标的位置下，已经把链表树化。那我们该怎样扩容？

还是一样look at 源码!!! ❤️❤️❤️

因为此时的在hash数组中的一个下标位置中的链表，已经树化，那么所以此时的节点类型就是TreeNode,那么就要对这棵红黑树迁移到新的hash数组中

我们可以看到在调用这个split()方法的时候，传入了 map,newTab,节点在oldTab数组中的下标位置，oldCap:原来hash数组的长度。在这里我们还是这里四个指针。分别输高低四位头指针，高低四位尾指针。并且这里的lc，hc使用来记录高低四位链表中的节点个数。

因为我们这里的TreeNode继承自Node,所以此时的TreeNode具有next属性，所以我们可以使用这个next，来遍历这个红黑中的的每一个节点。这里的bit 指的是 oldCap，那么的if(e.hash & bit == 0) 判断的是遍历到的这个节点，是不是是添加到低四位链表的节点。如果满足这个条件，那么就添加到低四位链表中，并且lc++。

还有这个else 表示的就是要在高四位链表上添加节点，并且hc++。

判断此时的低四位链表头节点是否为空，如果不为空，那么就向下指向，如果此时的lc(添加到链表中的节点数)，如果 <= UNTREEIFY_THRESHOLD 那么就不把这个链表树化，这个树化的阈值为6，如果大于6，那么还是会把链表转化为红黑树

也就是说红黑树在迁移到newTab的时候，有可能退化成链表。节点的个数 <= 6 就会退化成链表。

这个高四位的判定和低四位的判定是一样的，这里就不多说了。

总结hash数组扩容的第三种情况：

简单的说就是在迁移红黑树的时候，遍历红黑树构成两个链表------高四位链表，低四位链表。并且记录每个链表的节点个数。在连接newTab的时候，判断此时的两个链表的个数，如果个数小于等于6 那么红黑树退化成链表，否则还是会形成红黑树。