HashMap是Android程序員（當然也包括Java程序員）經(jīng)常使用的映射數(shù)據(jù)類型甚垦，伴隨著JDK的版本更新,JDK1.8相比1.7對HashMap的底層實現(xiàn)了一些優(yōu)化自赔，尤其是紅黑樹這個點（現(xiàn)在面試的時候基本都會問到這個問題）褪测，本博文結合JDK1.8源碼分析下HashMap的實現(xiàn)原理尺棋。
1.簡介
1.1 哈希算法
什么是哈希算法呢？
哈希算法將任意長度的二進制值映射為較短的固定長度的二進制值痪寻，這個小的二進制值稱為哈希值凑懂。哈希值是一段數(shù)據(jù)唯一且極其緊湊的數(shù)值表示形式煤痕。如果散列一段明文而且哪怕只更改該段落的一個字母，隨后的哈希都將產(chǎn)生不同的值接谨。要找到散列為同一個值的兩個不同的輸入杭攻，在計算上是不可能的，所以數(shù)據(jù)的哈希值可以檢驗數(shù)據(jù)的完整性疤坝。一般用于快速查找和加密算法兆解。
1.2 解決hash沖突
HashMap使用鏈地址法來解決hash沖突，即數(shù)組+鏈表的組合跑揉，JDK1.8之后才引入了紅黑樹進行存儲優(yōu)化锅睛。
每個數(shù)組元素上都是一個鏈表結構埠巨，當數(shù)據(jù)被hash后得到數(shù)組的下標，把數(shù)據(jù)存儲到對應下標的鏈表上现拒。
1.3 HashMap定義
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap辣垒，<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
從HashMap的定義上，我們可以知道以下幾點：
- HashMap為散列表印蔬，用于存儲[key-value]鍵值對
- 繼承了AbstractMap勋桶，實現(xiàn)了Map、Cloneable侥猬、Serializable
- 由于Map的設計是非同步的例驹，從實現(xiàn)上看HashMap也是非線程安全的。（線程同步的場景可以使用ConcurrentHashMap）
- 可以實現(xiàn)克隆
- 可以序列化
1.4 一些屬性
// 初始化容量退唠，必須為2的n次冪（主要是為了后續(xù)計算index考慮）
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
// 最大容量鹃锈，2的30次冪
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默認的加載因子，size=capacity*factor
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 使用紅黑樹的閥值
// 當鏈表中的個數(shù)大于該值時瞧预，會將鏈表轉換為紅黑樹進行存儲
// 該值必須大于2屎债，且最小值為8
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// resize時不使用樹的閥值，必須小于TREEIFY_THRESHOLD
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 紅黑樹最小容量
// 最小值為:4 * TREEIFY_THRESHOLD
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
1.5 重要的Node
// 用于存儲數(shù)據(jù)的節(jié)點
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
// 用于定位數(shù)組索引位置
final int hash;
// 存儲的key
final K key;
// 存儲的value
V value;
// 鏈表中下一個值
Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
Node是HashMap的一個靜態(tài)內(nèi)部類垢油，實現(xiàn)了Map.Entry接口盆驹，本質是就是一個鍵值對。
1.6 構造方法
在看構造方法前滩愁，先來看幾個關鍵的屬性：
// 存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)躯喇，首次使用時被初始化，需要時可以被擴容
// 當分配時它的長度一定是2的n次冪
transient Node<K,V>[] table;
// 數(shù)組中實際存儲的鍵值對數(shù)量
transient int size;
// 用于fail-fast
transient int modCount;
// HashMap所能容納的最大數(shù)據(jù)量的Node(鍵值對)個數(shù)
// threshold = capacity * load factor
// 超過該值那么將進行擴容
int threshold;
// 負載因子
final float loadFactor;
下面我們來看下HashMap的幾個構造方法：
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);
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
這些構造方法其實就是對上面的幾個屬性進行了初始化惊楼。
2.原理分析
2.1 確定在Hash數(shù)組中的index
方法一：
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
方法二：
static int indexFor(int h, int length) { //jdk1.7的源碼玖瘸，jdk1.8沒有這個方法秸讹，但是實現(xiàn)原理一樣的
return h & (length-1); //第三步 取模運算
}
分析下上面的兩個算法檀咙，我們可以發(fā)現(xiàn)HashMap采用的hash算法主要包括以下三塊內(nèi)容：
取得key的hashCode值
在這里我們需要明確下hashCode()方法與equals()方法之間的關系：
如果x.equals(y)返回“true”，那么x和y的hashCode()必須相等璃诀。
如果x.equals(y)返回“false”弧可，那么x和y的hashCode()有可能相等，也有可能不等棕诵。高位運算
(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)
這么做可以在數(shù)組table的length比較小的時候，也能保證考慮到高低Bit都參與到Hash的計算中凿将，同時不會有太大的開銷。
- 取模運算
這個方法非常巧妙牧抵，它通過h&(table.length-1)來得到對象的保存位置（數(shù)組中的index）侨把，因為數(shù)組的長度lenth總是為2的n次方妹孙，h&(length-1)運算等價于對length取模，也就是h%length蠢正，但是&比%具有更高的效率。
2.2 put方法
上面分析了這么多嚣崭，這個章節(jié)才是我們的重點笨触，廢話不多說，我們來看put方法到底做了那些神級操作有鹿。
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<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//1. 如果是首次使用（tab為空）旭旭，那么進行resize操作
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//2.根據(jù)hash值獲得數(shù)組index值，判斷table[index]是否為null
//如果table[index]為null葱跋，直接新建node元素持寄。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 3. 節(jié)點key存在，直接進行覆蓋
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 4.如果當前table[index]為紅黑樹節(jié)點對象娱俺，存儲節(jié)點到書中
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 5.如果節(jié)點為鏈表
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果鏈表長度大于等于8稍味，則將鏈表轉換為紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key已經(jīng)存在直接覆蓋value
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// tab
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 6.超過最大容量，就進行擴容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
2.3 resize
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 超過最大值就不再進行擴容了
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 沒有超過最大值荠卷，就擴大為原來的2倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
// 首次使用時進行的擴容
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 計算新的上限
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
// 將每個bucket移動到新的bucket
if ((e = oldTab[j]) != null) {
// 將舊的數(shù)組置為null
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 原索引+oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 原索引放到bucket里
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap放到bucket里
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
3. 線程安全性
我們都知道HashMap是非線程安全的模庐，在多線程使用場景中，應該盡量避免使用線程不安全的HashMap油宜，而使用線程安全的ConcurrentHashMap掂碱。
ConcurrentHashMap使用了分段加鎖的機制，因此在使用效率上比使用HashTable和Collections.synchronizedMap()更高慎冤，而且由于設計陳舊疼燥，HashTable和Collections.synchronizedMap()正在逐漸退出歷史舞臺。
4. 結束語
HashMap在我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中蚁堤，占據(jù)著不可或缺的位置醉者，希望大家能對其原理有一個深入的認識和了解。JDK 1.8對HashMap的優(yōu)化僅僅是冰山一角披诗，讓我們通過HashMap開始擁抱JDK1.8吧撬即。
