HashMap概述

HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步實(shí)現(xiàn)暇屋。此實(shí)現(xiàn)提供所有可選的映射操作柒昏， 并允許使用 null 值作為鍵值對(duì)的 Key 和 Value 苦蒿。此類(lèi)不保證映射的順序儿捧，特別是它不保證該順序恒久不變。

HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在 Java 編程語(yǔ)言中墨闲，最基本的結(jié)構(gòu)就是兩種今妄，一個(gè)是數(shù)組，另外一個(gè)是模擬指針（即 引用）鸳碧，所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以用這兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造的盾鳞，HashMap 也不例外。HashMap 實(shí)際上是一個(gè)“鏈表散列”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)瞻离，即數(shù)組和鏈表的結(jié)合體雁仲。
HashMap 底層就是一個(gè)數(shù)組結(jié)構(gòu)，數(shù)組中的每一項(xiàng)又是一個(gè)鏈表琐脏。 當(dāng)新建一個(gè) HashMap 的時(shí)候，就會(huì)初始化一個(gè)數(shù)組。

HashMap的實(shí)現(xiàn)源碼如下:

 transient Entry[] table;
 static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
      final K key;
      V value;
      Entry<K,V> next;
      final int hash;   
      ……
} 

可以看出日裙，Entry 就是數(shù)組中的元素吹艇，每個(gè) Map.Entry 其實(shí)就是一個(gè) key-value 對(duì)，它 持有一個(gè)指向下一個(gè)元素的引用昂拂，這就構(gòu)成了鏈表受神。

HashMap存取實(shí)現(xiàn)

1.存儲(chǔ)

public V put(K key, V value) {
     // HashMap 允許存放 null 鍵和 null 值
     // 當(dāng) key 為 null 時(shí)，調(diào)用 putForNullKey 方法格侯，將 value 放置在數(shù)組第一個(gè)位置鼻听。
     if (key == null)
         return putForNullKey(value);
     // 根據(jù) key 的 keyCode 重新計(jì)算 hash 值。
     int hash = hash(key.hashCode());
     int i = indexFor(hash, table.length); 
     for(Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next){
          Object k;
          if(e.hash==hash&&((k=e.key)==key||key.equals(k))) {
             V oldValue = e.value;
             e.value = value; 
             e.recordAccess(this);
             return oldValue; 
          }
     }
     // 如果 i 索引處的 Entry 為 null联四，表明此處還沒(méi)有 Entry撑碴。
     modCount++;
     addEntry(hash, key, value, i);
     return null;
}   

從源代碼中可以看出：當(dāng)我們往 HashMap 中 put 元素的時(shí)候，先根據(jù) key 的 hashCode 重新計(jì)算 hash 值朝墩，根據(jù) hash 值得到這個(gè)元素在數(shù)組中的位置（即 下標(biāo)）醉拓，如果數(shù)組該位置上已經(jīng)存放有其他元素了，那么在這個(gè)位置上的元素將以鏈表的形式存放收苏，新加入的放在鏈頭亿卤，最先加入的放在鏈尾。如果數(shù)組該位置上沒(méi)有元素鹿霸，就直接將該元素放到此數(shù)組中的該位置上排吴。
addEntry(hash, key, value, i)方法根據(jù)計(jì)算出的 hash 值，將 key-value 對(duì)放在數(shù)組 table 的 i 索引處懦鼠。addEntry 是 HashMap 提供的一個(gè)包訪問(wèn)權(quán)限的方法钻哩，代碼如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 獲取指定 bucketIndex 索引處的 Entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 將新創(chuàng)建的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，并讓新的 Entry 指向原來(lái)的 Entry
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    // 如果 Map 中的 key-value 對(duì)的數(shù)量超過(guò)了極限
    if (size++ >= threshold)
    // 把 table 對(duì)象的長(zhǎng)度擴(kuò)充到原來(lái)的 2 倍
    resize(2 * table.length);
}   

當(dāng)系統(tǒng)決定存儲(chǔ) HashMap 中的 key-value 對(duì)時(shí)葛闷，完全沒(méi)有考慮 Entry 中的 value憋槐，僅僅只是根據(jù)key來(lái)計(jì)算并決定每個(gè)Entry的存儲(chǔ)位置。我們完全可以把 Map 集合中的 value 當(dāng)成 key 的附屬淑趾，當(dāng)系統(tǒng)決定了 key 的存儲(chǔ)位置之后阳仔，value 隨之保存在那里即可。
hash(int h)方法根據(jù) key 的 hashCode 重新計(jì)算一次散列扣泊。此算法加入了高位計(jì)算近范，防 止低位不變，高位變化時(shí)延蟹，造成的 hash 沖突评矩。

static int hash(int h) {
     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
} 

可以看到在 HashMap 中要找到某個(gè)元素，需要根據(jù) key 的 hash 值來(lái)求得對(duì)應(yīng)數(shù) 組中的位置阱飘。如何計(jì)算這個(gè)位置就是 hash 算法斥杜。前面說(shuō)過(guò) HashMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組和 鏈表的結(jié)合虱颗，所以我們當(dāng)然希望這個(gè) HashMap 里面的 元素位置盡量的分布均勻些，盡量 使得每個(gè)位置上的元素?cái)?shù)量只有一個(gè)蔗喂，那么當(dāng)我們用 hash 算法求得這個(gè)位置的時(shí)候忘渔，馬上就可以知道對(duì)應(yīng)位置的元素就是我們要的，而不用再去遍歷鏈表缰儿，這樣就大大優(yōu)化了查詢的 效率畦粮。
對(duì)于任意給定的對(duì)象，只要它的 hashCode() 返回值相同乖阵，那么程序調(diào)用 hash(int h) 方 法所計(jì)算得到的 hash 碼值總是相同的宣赔。我們首先想到的就是把 hash 值對(duì)數(shù)組長(zhǎng)度取模運(yùn) 算，這樣一來(lái)瞪浸，元素的分布相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較均勻的儒将。但是，“哪眨”運(yùn)算的消耗還是比較大的椅棺， 在 HashMap 中是這樣做的：調(diào)用 indexFor(int h, int length) 方法來(lái)計(jì)算該對(duì)象應(yīng)該保存 在 table 數(shù)組的哪個(gè)索引處。indexFor(int h, int length) 方法的代碼如下：

static int indexFor(int h, int length) {
     return h & (length-1);
}

這個(gè)方法非常巧妙齐蔽，它通過(guò) h & (table.length -1) 來(lái)得到該對(duì)象的保存位两疚，而 HashMap 底層數(shù)組的長(zhǎng)度總是 2 的 n 次方，這是 HashMap 在速度上的優(yōu)化含滴。在 HashMap 構(gòu)造器中 有如下代碼：

int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity) 
     capacity <<= 1; 

這段代碼保證初始化時(shí) HashMap 的容量總是 2 的 n 次方诱渤，即底層數(shù)組的長(zhǎng)度總是為 2 的 n 次方。當(dāng) length 總是 2 的 n 次方時(shí)谈况，h& (length-1)運(yùn)算等價(jià)于對(duì) length 取模勺美，也就是 h%length，但是&比%具有更高的效率碑韵。

2.讀取

public V get(Object key) {
     if (key == null)
          return getForNullKey(); 
     int hash = hash(key.hashCode());
     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];  e != null;e = e.next) {
          Object k;
          if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
          return e.value;
      }
} 

從 HashMap 中 get 元素時(shí)赡茸，首先計(jì)算 key 的 hashCode，找到數(shù)組中對(duì)應(yīng) 位置的某一元素祝闻，然后通過(guò) key 的 equals 方法在對(duì)應(yīng)位置的鏈表中找到需要的元素占卧。

歸納起來(lái)簡(jiǎn)單地說(shuō)，HashMap 在底層將 key-value 當(dāng)成一個(gè)整體進(jìn)行處理联喘，這個(gè)整體 就是一個(gè) Entry 對(duì)象华蜒。HashMap 底層采用一個(gè) Entry[] 數(shù)組來(lái)保存所有的 key-value 對(duì)，當(dāng) 需要存儲(chǔ)一個(gè) Entry 對(duì)象時(shí)豁遭，會(huì)根據(jù)hash算法來(lái)決定其在數(shù)組中的存儲(chǔ)位置叭喜，在根據(jù)equals 方法決定其在該數(shù)組位置上的鏈表中的存儲(chǔ)位置；當(dāng)需要取出一個(gè) Entry 時(shí)蓖谢，也會(huì)根據(jù) hash 算法找到其在數(shù)組中的存儲(chǔ)位置捂蕴，再根據(jù) equals 方法從該位置上的鏈表中取出該 Entry譬涡。

HashMap 的 resize（rehash）

當(dāng) HashMap 中的元素越來(lái)越多的時(shí)候，hash 沖突的幾率也就越來(lái)越高启绰，因?yàn)閿?shù)組的 長(zhǎng)度是固定的昂儒。所以為了提高查詢的效率，就要對(duì) HashMap 的數(shù)組進(jìn)行擴(kuò)容委可，數(shù)組擴(kuò)容這 個(gè)操作也會(huì)出現(xiàn)在 ArrayList 中，這是一個(gè)常用的操作腊嗡，而在 HashMap 數(shù)組擴(kuò)容之后着倾，最消耗性能的點(diǎn)就出現(xiàn)了：原數(shù)組中的數(shù)據(jù)必須重新計(jì)算其在新數(shù)組中的位置，并放進(jìn)去燕少，這就是 resize卡者。
當(dāng) HashMap 中的元素個(gè)數(shù)超過(guò)數(shù)組大小×loadFactor 時(shí)，就會(huì)進(jìn)行數(shù)組擴(kuò)容客们，loadFactor 的默認(rèn)值為 0.75崇决，這是一個(gè)折中的取值。 也就是說(shuō)底挫，默認(rèn)情況下恒傻，數(shù)組大小為 16，那么當(dāng) HashMap 中元素個(gè)數(shù)超過(guò) 16×0.75=12 的 時(shí)候建邓，就把數(shù)組的大小擴(kuò)展為 2×16=32盈厘，即擴(kuò)大一倍，然后重新計(jì)算每個(gè)元素在數(shù)組中的位 置官边，而這是一個(gè)非常消耗性能的操作沸手，所以如果我們已經(jīng)預(yù)知 HashMap 中元素的個(gè)數(shù)，那么預(yù)設(shè)元素的個(gè)數(shù)能夠有效的提高 HashMap 的性能注簿。

HashMap 的性能參數(shù)

HashMap 包含如下幾個(gè)構(gòu)造器：
HashMap()：構(gòu)建一個(gè)初始容量為 16契吉，負(fù)載因子為 0.75 的 HashMap。
HashMap(int initialCapacity)：構(gòu)建一個(gè)初始容量為 initialCapacity诡渴，負(fù)載因子 為 0.75 的 HashMap捐晶。
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的負(fù)載因子創(chuàng)建一 個(gè) HashMap玩徊。
initialCapacity：HashMap 的最大容量租悄，即為底層數(shù)組的長(zhǎng)度。
loadFactor：負(fù)載因子 loadFactor 定義為：散列表的實(shí)際元素?cái)?shù)目(n)/ 散列表的容量(m)恩袱。
負(fù)載因子衡量的是一個(gè)散列表的空間的使用程度泣棋，負(fù)載因子越大表示散列表的裝填程度越 高，反之愈小畔塔。對(duì)于使用鏈表法的散列表來(lái)說(shuō)潭辈，查找一個(gè)元素的平均時(shí)間是 O(1+a)鸯屿，因此
如果負(fù)載因子越大，對(duì)空間的利用更充分把敢，然而后果是查找效率的降低寄摆；如果負(fù)載因子太小， 那么散列表的數(shù)據(jù)將過(guò)于稀疏修赞，對(duì)空間造成嚴(yán)重浪費(fèi)婶恼。
HashMap 的實(shí)現(xiàn)中，通過(guò) threshold 字段來(lái)判斷 HashMap 的最大容量：

 threshold = (int)(capacity * loadFactor);   

結(jié)合負(fù)載因子的定義公式可知柏副，threshold 就是在此 loadFactor 和 capacity 對(duì)應(yīng)下允許的 最大元素?cái)?shù)目勾邦，超過(guò)這個(gè)數(shù)目就重新 resize，以降低實(shí)際的負(fù)載因子割择。默認(rèn)的的負(fù)載因子 0.75是對(duì)空間和時(shí)間效率的一個(gè)平衡選擇眷篇。當(dāng)容量超出此最大容量時(shí)， resize后的HashMap 容量是容量的兩倍：

 if (size++ >= threshold)
     resize(2 * table.length); 

Fail-Fast 機(jī)制

java.util.HashMap 不是線程安全的荔泳，因此如果在使用迭代器的過(guò)程中有其他 線程修改了map蕉饼，那么將拋出 ConcurrentModificationException，這就是所謂fail-fast策略玛歌。 這一策略在源碼中的實(shí)現(xiàn)是通過(guò) modCount 域昧港，modCount 顧名思義就是修改次數(shù)，對(duì) HashMap 內(nèi)容的修改都將增加這個(gè)值沾鳄，那么在迭代器初始化過(guò)程中會(huì)將這個(gè)值賦給迭代器的 expectedModCount慨飘。

HashIterator() {
     expectedModCount = modCount;
     if (size > 0) { // advance to first entry
     Entry[] t = table;
     while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
         ;
     }
}    

在迭代過(guò)程中，判斷 modCount 跟 expectedModCount 是否相等译荞，如果不相等就表示已 經(jīng)有其他線程修改了 Map： 注意到 modCount 聲明為 volatile瓤的，保證線程之間修改的可見(jiàn)性。

final Entry<K,V> nextEntry() {
    if (modCount != expectedModCount)
    throw new ConcurrentModificationException(); 
}

由所有 HashMap 類(lèi)的“collection 視圖方法”所返回的迭代器都是快速失敗的：在迭代器 創(chuàng)建之后吞歼，如果從結(jié)構(gòu)上對(duì)映射進(jìn)行修改圈膏，除非通過(guò)迭代器本身的 remove 方法，其他任何 時(shí)間任何方式的修改篙骡，迭代器都將拋出 ConcurrentModificationException稽坤。因此，面對(duì)并發(fā)的修改糯俗，迭代器很快就會(huì)完全失敗尿褪，而不冒在將來(lái)不確定的時(shí)間發(fā)生任意不確定行為的風(fēng)險(xiǎn)。

注意得湘，迭代器的快速失敗行為不能得到保證杖玲，一般來(lái)說(shuō)，存在非同步的并發(fā)修改時(shí)淘正，不可能作出任何堅(jiān)決的保證摆马【饰牛快速失敗迭代器盡最大努力拋出 ConcurrentModificationException。因此囤采，編寫(xiě)依賴于此異常的程序的做法是錯(cuò)誤的述呐，正確做法是：迭代器的快速失敗行為應(yīng)該僅用于檢測(cè)程序錯(cuò)誤。