HashMap底层实现原理

在JDK1.6，JDK1.7中，HashMap采用位桶+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，HashMap采用位桶+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

简单说下HashMap的实现原理：

首先有一个每个元素都是链表（可能表述不准确）的数组，当添加一个元素（key-value）时，就首先计算元素key的hash值，以此确定插入数组中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了，这时就添加到同一hash值的元素的后面，他们在数组的同一位置，但是形成了链表，同一各链表上的Hash值是相同的，所以说数组存放的是链表。而当链表长度太长时，链表就转换为红黑树，这样大大提高了查找的效率。

当链表数组的容量超过初始容量的0.75时，再散列将链表数组扩大2倍，把原链表数组的搬移到新的数组中

Map其实很简单，就是一个key，对应一个value。本章我们重点了解HashMap，话不多说，上代码：

执行构造函数，当我们看到这个new，第一反应应该是这货又在堆内存里开辟了一块空间。

构造函数如下：

似乎简单，就是初始化了一个负载因子

负载因子默认为0.75f，这个负载因子后续会详说。

嘿嘿，又看到了传说中的数组，数组里原对象是Node，来看一下Node是什么鬼

其实很简单，一些属性，一个key，一个value，用来保存我们往Map里放入的数据，next用来标记Node节点的下一个元素。目前还没有任何代码用到Node，我们只能从成员变量入手了

这两个就不多说了吧，一个是逻辑长度，一个是修改次数，ArrayList，LinkedList也有这两个属性，老规矩，我们来画一画

HashMap我们就初始化好了，成员变量table数组默认为null，size默认为0，负载因子为0.75f，初始化完成，往里添加元素，来看一下put的源码

就一行代码，调用了putVal方法，其中key是传进来的“张三”这个字符串对象，value是“张三”这个Person对象，调用了一个方法hash()，再看一下

看到了熟悉的hashCode，我们在前面的文章里已经强调过很多次了，重写equals方法的时候，一定要重写hashCode方法，因为key是基于hashCode来处理的。继续看putVal方法

resize方法比较复杂，这儿就不完全贴出来了，当放入第一个元素时，会触发resize方法的以下关键代码

再看这个DEFAULT_INITIAL_CAPACITY是什么东东

又是传说中的移位运算符，1 << 4 其实就是相当于16。

恩，这句是关键，当我们放入第一个元素时，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，像极了ArrayList的初始化。

最后返回new出来的数组，继续画图，由于篇幅有限，下图中省略了部分数组内容，注意，虽然数组长度为16，但逻辑长度size依然是0

继续执行下图中putVal方法里的红框内容

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

这段代码初学者可能看起来比较费劲，我们重写一下以便初学者能更好的理解，这两段代码等同，下面是重写后的代码，清晰了很多

i = (n - 1) & hash;//hash是传过来的，其中n是底层数组的长度，用&运算符计算出i的值 
p = tab[i];//用计算出来的i的值作为下标从数组中元素
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] = newNode(hash, key, value, null);
}

这个hash值是字符串“张三”这个对象的hashCode方法与hashMap提供hash()方法共同计算出来的结果，其中n是数组的长度，目前数组长度为16，不管这个hash的值是多少，经过(n - 1) & hash计算出来的i 的值一定在n-1之间。刚好是底层数组的合法下标，用i这个下标值去底层数组里去取值，如果为null，创建一个Node放到数组下标为i的位置。这里的“张三”计算出来的i的值为2，继续画图

继续添加元素“李四”，“王五”，“赵六”，一切正常，key：“李四”经过(n - 1) & hash算出来在数组下标位置为1，“王五”为7，“赵六”为9，添加完成后如下图

上图更趋近于堆内存中的样子，但看起来比较
复杂，我们简化一下
上图是简化后的堆内存图。继续往里添加“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这个位置目前已经被“李四”给占了，产生了冲突。相信大家在看本文的过程中也有这样的疑惑，万一计算出来的下标值i重了怎么办？我们来看一看HashMap是怎么解决冲突的。

上图中红框里就是冲突的处理，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，现在转成了单向链表，继续画图

继续添加其它元素，添加完成后如下

到这里，我们的元素就添加完了。我们debug看一下

大框里的内容是链表的体现，小框里的内容是单元素的体现。

红框中还有两行比较重要的代码

if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) //当binCount>=TREEIFY_THRESHOLD-1
      treeifyBin(tab, hash);//把链表转化为红黑树

再看看TREEIFY_THRESHOLD的值

当链表长度到8时，将链表转化为红黑树来处理，由于树相关的内容本专栏还未讲解，红黑树的内容这里就不深入了。树在内存中的样子我们还是画个图简单的了解一下

在JDK1.7及以前的版本中，HashMap里是没有红黑树的实现的，在JDK1.8中加入了红黑树是为了防止哈希表碰撞攻击，当链表链长度为8时，及时转成红黑树，提高map的效率。在面试过程中，能说出这一点，面试官会对你加分不少。
思考下面代码：

hash方法的实现：

在put放入元素时，HashMap又自己写了一个hash方法来计算hash值，大家想想看，为什么不用key本身的hashCode方法，而是又处理了一下？

HashMap的最底层是数组来实现的，数组里的元素可能为null，也有可能是单个对象，还有可能是单向链表或是红黑树。

文中的resize在底层数组为null的时候会初始化一个数组，不为null的情况下会去扩容底层数组，并会重排底层数组里的元素。

执行完红框里的代码，personMap里放入了8个元素，放置完成后在堆内存表现如下图


在Map中，一个key，对应了一个value，如果key的值已经存在，Map会直接替换value的内容，来看一下源码中是怎么实现的，来看以下代码

Person oldPerson1 = personMap.put("张三", new Person("新张三", 21));
Person oldPerson2 = personMap.put("孙七", new Person("新孙七", 32));

System.out.println("oldPerson1.getName() ：" + oldPerson1.getName());
System.out.println("oldPerson2.getName() : " + oldPerson2.getName());
System.out.println("personMap.size() : " + personMap.size());

new了一个Person“新张三”，注意，key依然是张三，看一下源码

放入“新张三”时，会执行以上代码1、2、5

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

上面这段代码在上一篇文章已经改写过了，改写后的代码如下：

i = (n - 1) & hash;//hash是传过来的，其中n是底层数组的长度，用&运算符计算出i的值 
p = tab[i];//用计算出来的i的值作为下标从数组中元素
if(p == null){//这儿P不为null，所以下面这行代码不会执行。
     tab[i] = newNode(hash, key, value, null);//这行代码不会执行
}

很简单，直接在底层数组里取值赋值给p，由于p不为null，执行else里的逻辑

Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&  //如果hash值相等，key也相等，或者equals相等，赋值给e
     ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      e = p;//赋值给e

又看到了熟悉的equals方法，这里我们hash值相等，key的值也相等，条件成立，把值赋值给e。（如果key的值不相等，就比较equals方法，也就是说，就算key是一个新new出来的对象，只要满足equals，也视为key相同）

if (e != null) { // existing mapping for key
     V oldValue = e.value;//定义一个变量来存旧值
     if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
     e.value = value;//把value的值赋值为新的值
     afterNodeAccess(e);
     return oldValue;//返回的值
}

这段代码就比较简单了，用新的value替换旧value并返回旧的value。画一下图

再new一个Person“新孙七”并put到personMap中，注意，key依然是“孙七”，会执行图17-2里的1、2、3、4、5，由于2、3不满足条件，实际执行的是1、4、5，1这一步已经说过了，重点说一下4这一步

最后来看看放到树里的方法putTreeVal，由于树的内容我们还没涉及到，下面只标注出了关键代码

和链表类似，循环（遍历）树的节点，如果找到节点，返回节点，执行图17-2里的第5步更新value。如果循环完整颗数都找不到相应的key，添加新节点。

最后我们看一下本文初那段示例代码的执行结果：

虽然元素已经替换成新的值，但示例中打印的是替换前的值，元素个数还是8不变，debug看一下，是不是value更新成功了

更新已经成功。

结合上一篇内容，做一个总结，在hashMap中放入（put）元素，有以下重要步骤：

1、计算key的hash值，算出元素在底层数组中的下标位置。
2、通过下标位置定位到底层数组里的元素（也有可能是链表也有可能是树）。
3、取到元素，判断放入元素的key是否或equals当前位置的key，成立则替换value值，返回旧值。
4、如果是树，循环树中的节点，判断放入元素的key是否或equals节点的key，成立则替换树里的value，并返回旧值，不成立就添加到树里。
5、否则就顺着元素的链表结构循环节点，判断放入元素的key是否==或equals节点的key，成立则替换链表里value，并返回旧值，找不到就添加到链表的最后。

精简一下，判断放入HashMap中的元素要不要替换当前节点的元素，key满足以下两个条件即可替换：

1、hash值相等。
2、==或equals的结果为true。