HashMap的数据结构（超详细版）

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影响HashMap性能的两个重要参数以及HashMap的几个重要成员变量

1.初始容量

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

初始容量用来规定哈希表数组的长度，默认值为16，因为16是2的整数次幂的原因，再小数据量下的情况下，能减少哈希冲突，提高性能。在大存储容量数据的时候，也尽量将数组长度定义为2的幂次方，这样能更好的与索引计算公式i=(n-1)&hash配合使用，从而提升性能。

2.加载因子

final float loadFactor;

用来表示HashMap集合中元素的填满程度,默认为0.75f。越大则表示允许填满的元素就多,集合的空间利用率就越高,但是冲突的机会增加。反之,越小则冲突的机会就会越少,但是空间很多就浪费。

所以在设置初始容量时，应优先考虑到初始容量及其他加载因子，预估设置初始容量，最大程度的减少rehash重建内部数据结构的次数，极大的减少了扩容操作。

• 底层数组

transient Node<K,V>[] table;

保存KV键值对的数组，每个KV键值对都被封装成一个Node对象。

• 最大容量

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//1073741824

HashMap的最大容量值，扩容时如果超出，则不扩容。

• 扩容阈值

int threshold

用于判断数组是否需要扩，扩容阈值threshold=数组容量×加载因子。

• KV键值对数量

int size

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HashMap底层存储机制概述

jdk1.8以前HashMap内部数据结构使用数组+链表进行存储。（了解即可）
jdk1.8以后HashMap内部数据结构使用数组+链表+红黑树进行存储。

//数组
transient Node<K,V>[] table;
//链表节点类
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//哈希值
        final K key;//键
        V value;//值
        Node<K,V> next;//下一个元素
}

数组类型为Node[],每个Node都保存了某个KV键值对元素的key、value、hash、next等值。由于next的存在,所以每个Node对象都是一个单向链表中的组成节点。

当新添加一个KV键值对元素时,通过该元素的key的hash值,计算该元素在数组中应该保存的下标位置。如果该下标位置如果已经存在其它Node对象,则采用链地址法处理,即将新添加的KV键值对元素将以链表形式存储。将新元素封装成一个新的Node对象,插入到该下标位置的链表尾部(尾插法)。当链表的长度超过8并且数组长度大于64时,为了避免查找搜索性能下降,该链表会转换一个红黑树。
（附带大佬做的好图一张，仅供参考理解）

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HashMap的初始化与扩容方式

1.初始化

HashMap的构造方法进行了重载，具有无参、有参等多种构造方式。
无参构造：默认定义加载因子为0.75。

 public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

指定容量的有参构造：传入所需的最小容量值，依旧使用默认加载因子。

public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

指定容量和加载因子的有参构造方法：指定容量值与加载因子。

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;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

2.扩容方式

HashMap底层采用数组+链表+红黑树,扩容过程中需要按照数组容量和加载因子来进行判断。

HashMap的扩容方法是resize()方法,发生下列几种情况时,会发生扩容:

// 添加新元素 
final V putVal(int hash, K key, V value){
 //... 
 // 判断当前集合中的元素数量,是否超过阈值threshol
  if (++size > threshold)
            resize();
 }
 //...

1. 当我们第一次添加KV键值对时，如果数组此时为空，则会默认扩容为16。
2. 加入元素时，如果链表长度大于阈值（默认为8）并且数组长度小于6，就会产生数组扩容。
3. 添加元素后，当HashMap中的元素个数超过【数组大小×加载因子】时，原数组扩容2倍。例如：加载因子的默认值为0.75，数组容量默认为16，当HashMap中的元素个数超过16×0.75=12时，数组容量扩容16×2=32。
4. HashMap加入新元素时,如果链表长度大于8时,会尝试将当前链表转换为红黑树。在转换红黑树之前,会判断数组长度,如果小于64,会产生数组扩容。如果数组长度大于64,才会将链表转换为红黑树。

 final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
	 //...
 	//如果数组长度n小于64或者数组长度为空，		
 	if (tab == null || (n = tab.length) < 	MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();//数组扩容
  	//
  	 else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
  	 		//遍历链表节点，转换为红黑树
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> 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)
                hd.treeify(tab);
        }
    }

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总结

• HashMap的数据结构采用数组+链表+红黑树。
• HashMap的按照key的hash值计算数组中的存储位置下标,计算方式:(n-1)&hash。
• 如果在该下标位置已经存在元素,代表产生哈希冲突,则采用链地址法处理,以单向链表的形式,将新元素存储在链表的尾部(尾插法)。
• 当链表中Node节点的数量大于8并且数组的长度大于64时,链表会转换成一个红黑树,有利于查找搜索。
• HashMap的默认容量为16,加载因子为0.75f,当集合元素个数超过扩容阈值【容量×加载因子】时,HashMap会将底层数组容量按照2倍进行扩容。