• 本文參考至Java 8系列之重新認識HashMap。對于原文中的hash算法和jdk8對于擴容機制的優(yōu)化等復(fù)雜內(nèi)容沒有引用惩琉，本文介紹基本的HashMap的實現(xiàn)原理，讓讀者對HashMap有一個較為深入的認識。

• HashMap存儲結(jié)構(gòu)-字段
• 分析HashMap的put方法
• 擴容機制
• Map中各實現(xiàn)類的總結(jié)
• 小結(jié)

HashMap是Java程序員使用頻率最高的用于映射(鍵值對)處理的數(shù)據(jù)類型囊颅。隨著JDK（Java Developmet Kit）版本的更新炉峰，JDK1.8對HashMap底層的實現(xiàn)進行了優(yōu)化畏妖，例如引入紅黑樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴容的優(yōu)化等。本文結(jié)合JDK1.7和JDK1.8的區(qū)別疼阔，深入探討HashMap的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和功能原理戒劫。

內(nèi)部實現(xiàn)

搞清楚HashMap，首先需要知道HashMap是什么婆廊，即它的存儲結(jié)構(gòu)-字段迅细；其次弄明白它能干什么，即它的功能實現(xiàn)-方法淘邻。下面我們針對這兩個方面詳細展開講解茵典。

存儲結(jié)構(gòu)-字段

從結(jié)構(gòu)實現(xiàn)來講，HashMap是數(shù)組+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現(xiàn)的列荔，如下如所示敬尺。

image.png

數(shù)據(jù)底層具體存儲的是什么？
從源碼可知贴浙，HashMap類中有一個非常重要的字段砂吞，就是 Node[] table，即哈希桶數(shù)組崎溃，明顯它是一個Node的數(shù)組蜻直。我們來看Node[JDK1.8]是何物。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;    //用來定位數(shù)組索引位置
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;   //鏈表的下一個node

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }
        public final K getKey(){ ... }
        public final V getValue() { ... }
        public final String toString() { ... }
        public final int hashCode() { ... }
        public final V setValue(V newValue) { ... }
        public final boolean equals(Object o) { ... }
}

Node是HashMap的一個內(nèi)部類袁串，實現(xiàn)了Map.Entry接口概而，本質(zhì)是就是一個映射(鍵值對)。上圖中的每個黑色圓點就是一個Node對象囱修。

HashMap就是使用哈希表來存儲的赎瑰。哈希表為解決沖突，可以采用開放地址法和鏈地址法等來解決問題破镰，Java中HashMap采用了鏈地址法餐曼。鏈地址法，簡單來說鲜漩，就是數(shù)組加鏈表的結(jié)合源譬。在每個數(shù)組元素上都一個鏈表結(jié)構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)被Hash后孕似，得到數(shù)組下標(biāo)踩娘，把數(shù)據(jù)放在對應(yīng)下標(biāo)元素的鏈表上。

具體hash算法的原理我們不深入討論喉祭，有興趣的同學(xué)可以參考https://tech.meituan.com/java-hashmap.html我們只要知道我們通過hash方法可以得到對象所在數(shù)組的下標(biāo)养渴。

我們得先了解下HashMap的幾個字段雷绢。從HashMap的默認構(gòu)造函數(shù)源碼可知，構(gòu)造函數(shù)就是對下面幾個字段進行初始化厚脉，源碼如下：

/**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
     * capacity and load factor.
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
    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);
    }

主要就是一下幾個字段：

     int threshold;             // 所能容納的key-value對極限 
     final float loadFactor;    // 負載因子
     int modCount;  
     int size;

首先习寸，Node[] table的初始化長度length(默認值是16)，Load factor為負載因子(默認值是0.75)傻工，threshold是HashMap所能容納的最大數(shù)據(jù)量的Node(鍵值對)個數(shù)霞溪。threshold = length * Load factor。也就是說中捆，在數(shù)組定義好長度之后鸯匹，負載因子越大，所能容納的鍵值對個數(shù)越多泄伪。

結(jié)合負載因子的定義公式可知殴蓬，threshold就是在此Load factor和length(數(shù)組長度)對應(yīng)下允許的最大元素數(shù)目，超過這個數(shù)目就重新resize(擴容)蟋滴，擴容后的HashMap容量是之前容量的兩倍染厅。默認的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇，建議大家不要修改津函，除非在時間和空間比較特殊的情況下肖粮，如果內(nèi)存空間很多而又對時間效率要求很高，可以降低負載因子Load factor的值尔苦；相反涩馆，如果內(nèi)存空間緊張而對時間效率要求不高，可以增加負載因子loadFactor的值允坚，這個值可以大于1魂那。

size這個字段其實很好理解，就是HashMap中實際存在的鍵值對數(shù)量稠项。注意和table的長度length涯雅、容納最大鍵值對數(shù)量threshold的區(qū)別。而modCount字段主要用來記錄HashMap內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的次數(shù)展运，主要用于迭代的快速失敗斩芭。強調(diào)一點，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化指的是結(jié)構(gòu)發(fā)生變化乐疆，例如put新鍵值對，但是某個key對應(yīng)的value值被覆蓋不屬于結(jié)構(gòu)變化贬养。

這里存在一個問題挤土，即使負載因子和Hash算法設(shè)計的再合理，也免不了會出現(xiàn)拉鏈過長的情況误算，一旦出現(xiàn)拉鏈過長仰美，則會嚴(yán)重影響HashMap的性能迷殿。于是，在JDK1.8版本中咖杂，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做了進一步的優(yōu)化庆寺，引入了紅黑樹。而當(dāng)鏈表長度太長（默認超過8）時诉字，鏈表就轉(zhuǎn)換為紅黑樹懦尝，利用紅黑樹快速增刪改查的特點提高HashMap的性能，其中會用到紅黑樹的插入壤圃、刪除陵霉、查找等算法。本文不再對紅黑樹展開討論伍绳，想了解更多紅黑樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的工作原理可以參考筆者的文章
一篇文章搞懂紅黑樹的原理及實現(xiàn)

功能實現(xiàn)-方法

HashMap的內(nèi)部功能實現(xiàn)很多踊挠，本文主要從put方法的詳細執(zhí)行、擴容過程具有代表性的點深入展開講解冲杀。

分析HashMap的put方法

HashMap的put方法執(zhí)行過程可以通過下圖來理解

image.png

①.判斷鍵值對數(shù)組table[i]是否為空或為null效床，否則執(zhí)行resize()進行擴容；

②.根據(jù)鍵值key計算hash值得到插入的數(shù)組索引i权谁，如果table[i]==null剩檀，直接新建節(jié)點添加，轉(zhuǎn)向⑥闯传，如果table[i]不為空谨朝，?轉(zhuǎn)向③；

③.判斷?table[i]的首個元素是否和key一樣甥绿，如果相同直接覆蓋value字币，否則轉(zhuǎn)向④，這里的相同指的是hashCode以及equals共缕；

④.判斷table[i] 是否為treeNode洗出，即table[i] 是否是紅黑樹，如果是紅黑樹图谷，則直接在樹中插入鍵值對翩活，否則轉(zhuǎn)向⑤；

⑤.遍歷table[i]便贵，判斷鏈表長度是否大于8菠镇，大于8的話把鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹，在紅黑樹中執(zhí)行插入操作承璃，否則進行鏈表的插入操作利耍；?遍歷過程中若發(fā)現(xiàn)key已經(jīng)存在直接覆蓋value即可；

⑥.插入成功后，判斷實際存在的鍵值對數(shù)量size是否超多了最大容量threshold隘梨，如果超過程癌，進行擴容。

JDK1.8HashMap的put方法源碼如下:

1 public V put(K key, V value) {
 2     // 對key的hashCode()做hash
 3     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
 4 }
 5 
 6 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
 7                boolean evict) {
 8     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
 9     // 步驟①：tab為空則創(chuàng)建
10     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
11         n = (tab = resize()).length;
12     // 步驟②：計算index轴猎，并對null做處理 
13     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 
14         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
15     else {
16         Node<K,V> e; K k;
17         // 步驟③：節(jié)點key存在嵌莉，直接覆蓋value
18         if (p.hash == hash &&
19             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
20             e = p;
21         // 步驟④：判斷該鏈為紅黑樹
22         else if (p instanceof TreeNode)
23             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
24         // 步驟⑤：該鏈為鏈表
25         else {
26             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
27                 if ((e = p.next) == null) {
28                     p.next = newNode(hash, key,value,null);
                        //鏈表長度大于8轉(zhuǎn)換為紅黑樹進行處理
29                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  
30                         treeifyBin(tab, hash);
31                     break;
32                 }
                    // key已經(jīng)存在直接覆蓋value
33                 if (e.hash == hash &&
34                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
35                            break;
36                 p = e;
37             }
38         }
39         
40         if (e != null) { // existing mapping for key
41             V oldValue = e.value;
42             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
43                 e.value = value;
44             afterNodeAccess(e);
45             return oldValue;
46         }
47     }

48     ++modCount;
49     // 步驟⑥：超過最大容量 就擴容
50     if (++size > threshold)
51         resize();
52     afterNodeInsertion(evict);
53     return null;
54 }

擴容機制

擴容(resize)就是重新計算容量，向HashMap對象里不停的添加元素捻脖，而HashMap對象內(nèi)部的數(shù)組無法裝載更多的元素時锐峭，對象就需要擴大數(shù)組的長度，以便能裝入更多的元素郎仆。當(dāng)然Java里的數(shù)組是無法自動擴容的只祠，方法是使用一個新的數(shù)組代替已有的容量小的數(shù)組，就像我們用一個小桶裝水扰肌，如果想裝更多的水抛寝，就得換大水桶。

我們分析下resize的源碼曙旭，鑒于JDK1.8融入了紅黑樹盗舰，較復(fù)雜，為了便于理解我們?nèi)匀皇褂肑DK1.7的代碼桂躏，好理解一些钻趋，本質(zhì)上區(qū)別不大，具體區(qū)別后文再說剂习。

 1 void resize(int newCapacity) {   //傳入新的容量
 2     Entry[] oldTable = table;    //引用擴容前的Entry數(shù)組
 3     int oldCapacity = oldTable.length;         
 4     if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  //擴容前的數(shù)組大小如果已經(jīng)達到最大(2^30)了
 5         threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改閾值為int的最大值(2^31-1)蛮位，這樣以后就不會擴容了
 6         return;
 7     }
 8  
 9     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  //初始化一個新的Entry數(shù)組
10     transfer(newTable);                         //！鳞绕！將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到新的Entry數(shù)組里
11     table = newTable;                           //HashMap的table屬性引用新的Entry數(shù)組
12     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改閾值
13 }

這里就是使用一個容量更大的數(shù)組來代替已有的容量小的數(shù)組失仁，transfer()方法將原有Entry數(shù)組的元素拷貝到新的Entry數(shù)組里。

 1 void transfer(Entry[] newTable) {
 2     Entry[] src = table;                   //src引用了舊的Entry數(shù)組
 3     int newCapacity = newTable.length;
 4     for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍歷舊的Entry數(shù)組
 5         Entry<K,V> e = src[j];             //取得舊Entry數(shù)組的每個元素
 6         if (e != null) {
 7             src[j] = null;//釋放舊Entry數(shù)組的對象引用（for循環(huán)后们何，舊的Entry數(shù)組不再引用任何對象）
 8             do {
 9                 Entry<K,V> next = e.next;
10                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //Ｌ呀埂！重新計算每個元素在數(shù)組中的位置
11                 e.next = newTable[i]; //標(biāo)記[1]
12                 newTable[i] = e;      //將元素放在數(shù)組上
13                 e = next;             //訪問下一個Entry鏈上的元素
14             } while (e != null);
15         }
16     }
17 }

下面舉個例子說明下擴容過程冤竹。假設(shè)了我們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大蟹鞣狻（也就是數(shù)組的長度）。其中的?哈希桶數(shù)組table的size=2鹦蠕， 所以key = 3冒签、7、5钟病，put順序依次為 5镣衡、7霜定、3。在mod 2以后都沖突在table[1]這里了廊鸥。這里假設(shè)負載因子 loadFactor=1，即當(dāng)鍵值對的實際大小size 大于 table的實際大小時進行擴容辖所。接下來的三個步驟是哈希桶數(shù)組 resize成4惰说，然后所有的Node重新rehash的過程。

image.png

JDK8中對擴容機制又進行了優(yōu)化缘回，涉及比較復(fù)雜的位操作吆视，本文不深入討論，有興趣的讀者參考文章https://tech.meituan.com/java-hashmap.html

Map中各實現(xiàn)類的總結(jié)

Java為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的映射定義了一個接口java.util.Map酥宴，此接口主要有四個常用的實現(xiàn)類啦吧，分別是HashMap、Hashtable拙寡、LinkedHashMap和TreeMap授滓，類繼承關(guān)系如下圖所示：

image.png

下面針對各個實現(xiàn)類的特點做一些說明：

(1) HashMap：它根據(jù)鍵的hashCode值存儲數(shù)據(jù)，大多數(shù)情況下可以直接定位到它的值肆糕，因而具有很快的訪問速度般堆，但遍歷順序卻是不確定的。 HashMap最多只允許一條記錄的鍵為null诚啃，允許多條記錄的值為null淮摔。HashMap非線程安全，即任一時刻可以有多個線程同時寫HashMap始赎，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致和橙。如果需要滿足線程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有線程安全的能力造垛，或者使用ConcurrentHashMap魔招。

(2) Hashtable：Hashtable是遺留類，很多映射的常用功能與HashMap類似筋搏，不同的是它承自Dictionary類仆百，并且是線程安全的，任一時間只有一個線程能寫Hashtable奔脐，并發(fā)性不如ConcurrentHashMap俄周，因為ConcurrentHashMap引入了分段鎖。Hashtable不建議在新代碼中使用髓迎，不需要線程安全的場合可以用HashMap替換峦朗，需要線程安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換。

(3) LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一個子類排龄，保存了記錄的插入順序波势，在用Iterator遍歷LinkedHashMap時，先得到的記錄肯定是先插入的，也可以在構(gòu)造時帶參數(shù)尺铣，按照訪問次序排序拴曲。

(4) TreeMap：TreeMap實現(xiàn)SortedMap接口，能夠把它保存的記錄根據(jù)鍵排序凛忿，默認是按鍵值的升序排序澈灼，也可以指定排序的比較器，當(dāng)用Iterator遍歷TreeMap時店溢，得到的記錄是排過序的叁熔。如果使用排序的映射，建議使用TreeMap床牧。在使用TreeMap時荣回，key必須實現(xiàn)Comparable接口或者在構(gòu)造TreeMap傳入自定義的Comparator，否則會在運行時拋出java.lang.ClassCastException類型的異常戈咳。

對于上述四種Map類型的類心软，要求映射中的key是不可變對象。不可變對象是該對象在創(chuàng)建后它的哈希值不會被改變除秀。如果對象的哈希值發(fā)生變化糯累，Map對象很可能就定位不到映射的位置了。

通過上面的比較册踩，我們知道了HashMap是Java的Map家族中一個普通成員泳姐，鑒于它可以滿足大多數(shù)場景的使用條件，所以是使用頻度最高的一個暂吉。下文我們主要結(jié)合源碼胖秒，從存儲結(jié)構(gòu)、常用方法分析慕的、擴容以及安全性等方面深入講解HashMap的工作原理阎肝。

小結(jié)

小結(jié)
(1) 擴容是一個特別耗性能的操作，所以當(dāng)程序員在使用HashMap的時候肮街，估算map的大小风题，初始化的時候給一個大致的數(shù)值，避免map進行頻繁的擴容嫉父。

(2) 負載因子是可以修改的沛硅，也可以大于1，但是建議不要輕易修改绕辖，除非情況非常特殊摇肌。

(3) JDK1.8引入紅黑樹大程度優(yōu)化了HashMap的性能。

(4) 還沒升級JDK1.8的仪际，現(xiàn)在開始升級吧围小。HashMap的性能提升僅僅是JDK1.8的冰山一角昵骤。

參考
JDK1.7&JDK1.8 源碼。
Java 8系列之重新認識HashMap
CSDN博客頻道肯适，HashMap多線程死循環(huán)問題变秦，2014。
紅黑聯(lián)盟框舔，Java類集框架之HashMap(JDK1.8)源碼剖析伴栓，2015。
CSDN博客頻道雨饺， 教你初步了解紅黑樹，2010惑淳。
Java Code Geeks额港，HashMap performance improvements in Java 8，2014歧焦。
Importnew移斩，危險！在HashMap中將可變對象用作Key绢馍，2014向瓷。
CSDN博客頻道，為什么一般hashtable的桶數(shù)會取一個素數(shù)舰涌，2013猖任。