HashMap涉及的技術(shù)點非常多鲜滩，典型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法有機結(jié)合，JDK對HashMap優(yōu)化變化中不斷權(quán)衡時間復(fù)雜和空間復(fù)雜度腌巾。
一. 存儲結(jié)構(gòu)
1.JDK1.8之前 HashMap = 數(shù)組(O(1)）+ 單向鏈表（O(n)）
2.JDK1.8之后 HashMap = 數(shù)組(O(1)）+ 單向鏈表（O(n)）+ 紅黑樹(O(log n)
關(guān)于結(jié)構(gòu)的幾個關(guān)鍵數(shù)字：
1.默認初始化數(shù)組容量大小是16碑韵。
2.數(shù)組擴容剛好是2的次冪。
3.默認的加載因子是0.75造壮。
4.鏈表長度超過8時將鏈表轉(zhuǎn)化成紅黑樹結(jié)構(gòu)。
5.紅黑樹節(jié)點數(shù)減少到6的時候退化成鏈表骂束。
以上幾個數(shù)字關(guān)系耳璧，又為什么是上邊的幾個數(shù)字接下來一個個分析。
二. 操作原理
1. put儲存流程
①計算桶的位置展箱，根據(jù)key的hashcode求出hash值旨枯，位置index = hash%length。
②判斷是否達到擴容條件混驰，threshold=DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * loadFactor（16*0.75=12）大于這個閥門值就需要擴容攀隔，否則下一步皂贩。
③判斷桶位置是否為空，如果為空直接在數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)昆汹。如果不為空明刷，下一步。
④判斷是鏈表還是紅黑樹满粗，鏈表是否到達轉(zhuǎn)化紅黑樹辈末，當前鏈表節(jié)點數(shù)<=8，插入節(jié)點映皆；如果是紅黑樹插入節(jié)點挤聘，否則下一步。
⑤鏈表轉(zhuǎn)化成紅黑樹捅彻，插入節(jié)點组去。
⑥插入節(jié)點后計算當前size是否需要擴容，如果大于閥門值需要擴容resize步淹。
/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
以上是JDK1.8的HashMap的get調(diào)用關(guān)鍵方法源碼从隆。
2. get獲取過程
①計算桶的位置，根據(jù)key的hashcode求出hash值缭裆，位置index = hash%length广料。
②無論是數(shù)組，鏈表還是紅黑樹幼驶，for循環(huán)判斷hash值沖突就比對key是否相等艾杏，相等就返回對應(yīng)的value。
/**
* Implements Map.get and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @return the node, or null if none
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
以上是JDK1.8的HashMap的put調(diào)用關(guān)鍵方法源碼盅藻。
三. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法思考
1.為什么選擇數(shù)組和鏈表結(jié)構(gòu)购桑？
①數(shù)組內(nèi)存連續(xù)塊分配，效率體現(xiàn)查詢更快氏淑。HashMap中用作查找數(shù)組桶的位置勃蜘，利用元素的key的hash值對數(shù)組長度取模得到。
②鏈表效率體現(xiàn)增加和刪除假残。HashMap中鏈表是用來解決hash沖突缭贡，增刪空間消耗平衡。
擴展：為什么不是ArrayList而是使用Node<K,V>[] tab辉懒？因為ArrayList的擴容機制是1.5倍擴容阳惹，而HashMap擴容是2的次冪。
2.為什么擴容是2次冪眶俩，根據(jù)key的hashcode再求hash值莹汤？
①key的hash值計算
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
代碼意思是hash = hashcode的高16位異化低16位，而不是直接hashcode颠印。
②計算桶的位置代碼
index = (n - 1) & hash
思想：
一是纲岭，為了減少hash沖突使用hash%length計算抹竹，求模計算保證了得到的結(jié)果一定在0-length范圍之內(nèi)。
二是止潮，為了提高運算速度窃判，模運算比不上位運算，當n是2的次冪才滿足hash%length == （n-1）&hash喇闸。
確定公式中（n-1）符合最優(yōu)等式兢孝，剩下考慮hash值的最優(yōu)，hash值這個因子考慮影響結(jié)果盡可能不沖突仅偎。
因為計算速度體現(xiàn)在位運算上，條件n是2的次冪雳殊，那么n-1的換算成二進制前邊都是連續(xù)的0橘沥，后邊都是連續(xù)的1,。比如n=16夯秃，則n-1=15座咆，15的二進制1111。hash & 1111 = 只要關(guān)注的hash的二進制的最后四位數(shù)進行&運算仓洼。
如上圖介陶，最終會與15的二進制進行1111四位運算，如果與key.hashcode進行與運算的話色建，只要key的hashcode最后四位為0000前邊無論是什么都沒關(guān)系哺呜，這樣出現(xiàn)相同值的概率高很多。所以箕戳，引入hashcode先高低16位進行異或運算某残，減少hash沖突。
擴展：
hashcode與equals相等判斷對比：
兩個key的hashcode相等陵吸，key不一定equals玻墅。
兩個key的equals，hashcode一定相等壮虫。
3.為什么加載因子為0.75澳厢，鏈表長度大于8轉(zhuǎn)成紅黑樹？
思想：
上邊問題不是兩個獨立問題而是相互相關(guān)囚似，目的盡量減少沖突前提提高空間利用率和減少查詢成本的折中剩拢。
加載因子決定了HashMap的擴容的閥門值，如果桶是16饶唤，那么擴容值16* 0.75=12裸扶，也就是12的時候就要考慮擴容，還有4個沒有被利用到搬素，犧牲的空間呵晨。如果加載因子是1魏保，空間利用率高，但是查詢速度變慢摸屠。
原理：
權(quán)衡依據(jù)是以上情況符合泊松分布（一種統(tǒng)計與概率學(xué)里常見到的離散概率分布谓罗，適合于描述單位時間（或空間）內(nèi)隨機事件發(fā)生的次數(shù)），用0.75作為加載因子季二，每個碰撞位置的鏈表長度超過８個概率非常低檩咱，少于千萬分之一。
源碼說明：
* Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we
* use them only when bins contain enough nodes to warrant use
* (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due to
* removal or resizing) they are converted back to plain bins. In
* usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are
* rarely used. Ideally, under random hashCodes, the frequency of
* nodes in bins follows a Poisson distribution
* (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a
* parameter of about 0.5 on average for the default resizing
* threshold of 0.75, although with a large variance because of
* resizing granularity. Ignoring variance, the expected
* occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) /
* factorial(k)). The first values are:
*
* 0: 0.60653066
* 1: 0.30326533
* 2: 0.07581633
* 3: 0.01263606
* 4: 0.00157952
* 5: 0.00015795
* 6: 0.00001316
* 7: 0.00000094
* 8: 0.00000006
* more: less than 1 in ten million
擴展：
為什么不一開始選擇紅黑樹胯舷？
紅黑樹近乎于平衡二叉樹刻蚯，結(jié)構(gòu)適合均勻分布節(jié)點，減少樹的深度像鏈表長度情況桑嘶。原因主要是插入效率上炊汹，紅黑樹增加節(jié)點很可能需要進行左旋，右旋逃顶，著色操作讨便，這些時間效率并沒有鏈表形式高。
4.HashMap的key選擇
1）選擇不可變的對象以政，比如字符串或int類型霸褒。
2）如果要用一個自定義實體類作為key：
①類添加final修飾符，保證類不被繼承盈蛮。
②保證所有成員變量必須私有废菱，并且加上final修飾。
③不提供改變成員變量的方法抖誉，包括setter昙啄。
④通過構(gòu)造器初始化所有成員，進行深拷貝(deep copy)寸五。
5.String類中的hashcode計算
public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value;
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}
哈希計算公式：s[0]31^(n-1) + s[1]31^(n-2) + … + s[n-1]
四. 橫向擴展
1.HashMap出現(xiàn)線程問題
①多線程擴容梳凛，引起的死循環(huán)問題（jdk1.8中，死循環(huán)問題已經(jīng)解決）梳杏。
②多線程put的時候可能導(dǎo)致元素丟失
③put非null元素后get出來的卻是null
2.使用線程安全Map
①HashMap并不是線程安全韧拒，要實現(xiàn)線程安全可以用Collections.synchronizedMap(m)獲取一個線程安全的HashMap。
②CurrentHashMap和HashTable是線程安全的十性。CurrentHashMap使用分段鎖技術(shù)叛溢，要操作節(jié)點先獲取段鎖，在修改節(jié)點劲适。
3.Android提倡使用ArrayMap
①ArrayMap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是兩個數(shù)組楷掉，一個存放hash值，另一個存放key和value霞势。
②根據(jù)key的hash值利用二分查找在hash數(shù)組中找出index烹植。
③根據(jù)index在key-value數(shù)組中對應(yīng)位置查找斑鸦，如果不相等認為沖突了，會以key為中心草雕，分別上下展開巷屿，逐一查找。
優(yōu)勢墩虹，數(shù)據(jù)量少時（少于1000）相比HashMap更節(jié)省內(nèi)存嘱巾。劣勢，刪除和插入時效率要比HashMap要低诫钓。
