面试必会之HashMap源码分析
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简介
HashMap最早出现在JDK1.2中，底层基于散列算法实现。HashMap 允许 null 键和 null 值，是非线程安全类，在多线程环境下可能会存在问题。
1.8版本的HashMap数据结构：
为什么有的是链表有的是红黑树？
默认链表长度大于8时转为树
结构
Node是HhaspMap中的一个静态内部类 ：
1 //Node是单向链表，实现了Map.Entry接口
2 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
3 final int hash;
4 final K key;
5 V value;
6 Node<K,V> next;
7 //构造函数
8 Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
9 this.hash = hash;
10 this.key = key;
11 this.value = value;
12 this.next = next;
13 }
14
15 // getter and setter ... toString ...
16 public final K getKey() { return key; }
17 public final V getValue() { return value; }
18 public final String toString() { return key + "=" + value; }
19
20 public final int hashCode() {
21 return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
22 }
23
24 public final V setValue(V newValue) {
25 V oldValue = value;
26 value = newValue;
27 return oldValue;
28 }
29
30 public final boolean equals(Object o) {
31 if (o == this)
32 return true;
33 if (o instanceof Map.Entry) {
34 Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
35 if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
36 Objects.equals(value, e.getValue()))
37 return true;
38 }
39 return false;
40 }
41 }
TreeNode 是红黑树的数据结构。
1 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
2 TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
3 TreeNode<K,V> left;
4 TreeNode<K,V> right;
5 TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
6 boolean red;
7 TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
8 super(hash, key, val, next);
9 }
10
11 /**
12 * Returns root of tree containing this node.
13 */
14 final TreeNode<K,V> root() {
15 for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
16 if ((p = r.parent) == null)
17 return r;
18 r = p;
19 }
20 }
类定义
1 public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> 2 implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable 变量
1 /**
2 * 默认初始容量16(必须是2的幂次方)
3 */
4 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
5
6 /**
7 * 最大容量，2的30次方
8 */
9 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
10
11 /**
12 * 默认加载因子，用来计算threshold
13 */
14 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
15
16 /**
17 * 链表转成树的阈值，当桶中链表长度大于8时转成树
18 threshold = capacity * loadFactor
19 */
20 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
21
22 /**
23 * 进行resize操作时，若桶中数量少于6则从树转成链表
24 */
25 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
26
27 /**
28 * 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
29
30 当需要将解决 hash 冲突的链表转变为红黑树时，
31 需要判断下此时数组容量，
32 若是由于数组容量太小（小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY ）
33 导致的 hash 冲突太多，则不进行链表转变为红黑树操作，
34 转为利用 resize() 函数对 hashMap 扩容
35 */
36 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
37 /**
38 保存Node<K,V>节点的数组
39 该表在首次使用时初始化，并根据需要调整大小。 分配时，
40 长度始终是2的幂。
41 */
42 transient Node<K,V>[] table;
43
44 /**
45 * 存放具体元素的集
46 */
47 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
48
49 /**
50 * 记录 hashMap 当前存储的元素的数量
51 */
52 transient int size;
53
54 /**
55 * 每次更改map结构的计数器
56 */
57 transient int modCount;
58
59 /**
60 * 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容
61 */
62 int threshold;
63
64 /**
65 * 负载因子：要调整大小的下一个大小值（容量*加载因子）。
66 */
67 final float loadFactor;
构造方法
1 /**
2 * 传入初始容量大小，使用默认负载因子值 来初始化HashMap对象
3 */
4 public HashMap(int initialCapacity) {
5 this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
6 }
7
8 /**
9 * 默认容量和负载因子
10 */
11 public HashMap() {
12 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
13 }
14 /**
15 * 传入初始容量大小和负载因子 来初始化HashMap对象
16 */
17 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
18 // 初始容量不能小于0，否则报错
19 if (initialCapacity < 0)
20 throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
21 initialCapacity);
22 // 初始容量不能大于最大值，否则为最大值
23 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
24 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
25 //负载因子不能小于或等于0，不能为非数字
26 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
27 throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
28 loadFactor);
29 // 初始化负载因子
30 this.loadFactor = loadFactor;
31 // 初始化threshold大小
32 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
33 }
34
35 /**
36 * 找到大于或等于 cap 的最小2的整数次幂的数。
37 */
38 static final int tableSizeFor(int cap) {
39 int n = cap - 1;
40 n |= n >>> 1;
41 n |= n >>> 2;
42 n |= n >>> 4;
43 n |= n >>> 8;
44 n |= n >>> 16;
45 return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
46 }
tableSizeFor方法详解：
用位运算找到大于或等于 cap 的最小2的整数次幂的数。比如10，则返回16
-
让cap-1再赋值给n的目的是使得找到的目标值大于或等于原值。例如二进制
0100,十进制是4,若不减1而直接操作，答案是0001 0000十进制是16，明显不符合预期。 -
对n右移1位：001xx…xxx，再位或：011xx…xxx
-
对n右移2位：00011…xxx，再位或：01111…xxx
-
对n右移4位…
-
对n右移8位…
-
对n右移16位,因为int最大就
2^32所以移动1、2、4、8、16位并取位或,会将最高位的1后面的位全变为1。 -
再让结果n+1，即得到了2的整数次幂的值了。
附带一个实例：
loadFactor 负载因子
对于 HashMap 来说，负载因子是一个很重要的参数，该参数反应了 HashMap 桶数组的使用情况。通过调节负载因子，可使 HashMap 时间和空间复杂度上有不同的表现。
当我们调低负载因子时，HashMap 所能容纳的键值对数量变少。扩容时，重新将键值对存储新的桶数组里，键的键之间产生的碰撞会下降，链表长度变短。此时，HashMap 的增删改查等操作的效率将会变高，这里是典型的拿空间换时间。
相反，如果增加负载因子（负载因子可以大于1），HashMap 所能容纳的键值对数量变多，空间利用率高，但碰撞率也高。这意味着链表长度变长，效率也随之降低，这种情况是拿时间换空间。至于负载因子怎么调节，这个看使用场景了。
一般情况下，我们用默认值就可以了。大多数情况下0.75在时间跟空间代价上达到了平衡所以不建议修改。
查找
1 public V get(Object key) {
2 Node<K,V> e;
3 return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
4 }
5 // 获取hash值
6 static final int hash(Object key) {
7 int h;
8 // 拿到key的hash值后与其五符号右移16位取与
9 // 通过这种方式，让高位数据与低位数据进行异或，以此加大低位信息的随机性，变相的让高位数据参与到计算中。
10 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
11 }
12
13 final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
14 Node<K,V>[] tab;
15 Node<K,V> first, e;
16 int n; K k;
17 // 定位键值对所在桶的位置
18 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
19 (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
20 // 判断桶中第一项(数组元素)相等
21 if (first.hash == hash && // always check first node
22 ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
23 return first;
24 // 桶中不止一个结点
25 if ((e = first.next) != null) {
26 // 是否是红黑树，是的话调用getTreeNode方法
27 if (first instanceof TreeNode)
28 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
29 // 不是红黑树的话，在链表中遍历查找
30 do {
31 if (e.hash == hash &&
32 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
33 return e;
34 } while ((e = e.next) != null);
35 }
36 }
37 return null;
38 }
注意：
-
HashMap的hash算法(
hash()方法)。 -
(n - 1) & hash等价于对 length 取余。
添加
1 public V put(K key, V value) {
2 // 调用hash(key)方法来计算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;
9 Node<K,V> p;
10 int n, i;
11 // 容量初始化：当table为空，则调用resize()方法来初始化容器
12 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
13 n = (tab = resize()).length;
14 //确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中
15 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
16 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
17 else {
18 Node<K,V> e; K k;
19 // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等
20 if (p.hash == hash &&
21 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
22 //如果键的值以及节点 hash 等于链表中的第一个键值对节点时，则将 e 指向该键值对
23 e = p;
24 // 如果桶中的引用类型为 TreeNode，则调用红黑树的插入方法
25 else if (p instanceof TreeNode)
26 // 放入树中
27 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
28 else {
29 //对链表进行遍历，并统计链表长度
30 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
31 // 到达链表的尾部
32 if ((e = p.next) == null) {
33 //在尾部插入新结点
34 p.next = newNode(hash, key, value, null);
35 // 如果结点数量达到阈值，转化为红黑树
36 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
37 treeifyBin(tab, hash);
38 break;
39 }
40 // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
41 if (e.hash == hash &&
42 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
43 break;
44 p = e;
45 }
46 }
47 //判断要插入的键值对是否存在 HashMap 中
48 if (e != null) { // existing mapping for key
49 V oldValue = e.value;
50 // onlyIfAbsent 表示是否仅在 oldValue 为 null 的情况下更新键值对的值
51 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
52 e.value = value;
53 afterNodeAccess(e);
54 return oldValue;
55 }
56 }
57 ++modCount;
58 // 键值对数量超过阈值时，则进行扩容
59 if (++size > threshold)
60 resize();
61 afterNodeInsertion(evict);
62 return null;
63 }
事实上，new HashMap();完成后，如果没有put操作，是不会分配存储空间的。
-
当桶数组 table 为空时，通过扩容的方式初始化 table
-
查找要插入的键值对是否已经存在，存在的话根据条件判断是否用新值替换旧值
-
如果不存在，则将键值对链入链表中，并根据链表长度决定是否将链表转为红黑树
-
判断键值对数量是否大于阈值，大于的话则进行扩容操作
扩容机制
在 HashMap 中，桶数组的长度均是2的幂，阈值大小为桶数组长度与负载因子的乘积。当 HashMap 中的键值对数量超过阈值时，进行扩容。
HashMap 按当前桶数组长度的2倍进行扩容，阈值也变为原来的2倍（如果计算过程中，阈值溢出归零，则按阈值公式重新计算）。扩容之后，要重新计算键值对的位置，并把它们移动到合适的位置上去。
1 final Node<K,V>[] resize() {
2 // 拿到数组桶
3 Node<K,V>[] oldTab = table;
4 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
5 int oldThr = threshold;
6 int newCap, newThr = 0;
7 // 如果数组桶的容量大与0
8 if (oldCap > 0) {
9 // 如果比最大值还大，则赋值为最大值
10 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
11 threshold = Integer.MAX_VALUE;
12 return oldTab;
13 }
14 // 如果扩容后小于最大值 而且 旧数组桶大于初始容量16， 阈值左移1(扩大2倍)
15 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
16 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
17 newThr = oldThr << 1; // double threshold
18 }
19 // 如果数组桶容量<=0 且 旧阈值 >0
20 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
21 // 新容量=旧阈值
22 newCap = oldThr;
23 // 如果数组桶容量<=0 且 旧阈值 <=0
24 else { // zero initial threshold signifies using defaults
25 // 新容量=默认容量
26 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
27 // 新阈值= 负载因子*默认容量
28 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
29 }
30 // 如果新阈值为0
31 if (newThr == 0) {
32 // 重新计算阈值
33 float ft = (float)newCap * loadFactor;
34 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
35 (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
36 }
37 // 更新阈值
38 threshold = newThr;
39 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
40 // 创建新数组
41 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
42 // 覆盖数组桶
43 table = newTab;
44 // 如果旧数组桶不是空，则遍历桶数组，并将键值对映射到新的桶数组中
45 if (oldTab != null) {
46 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
47 Node<K,V> e;
48 if ((e = oldTab[j]) != null) {
49 oldTab[j] = null;
50 if (e.next == null)
51 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
52 // 如果是红黑树
53 else if (e instanceof TreeNode)
54 // 重新映射时，需要对红黑树进行拆分
55 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
56 else { // preserve order
57 // 如果不是红黑树，则按链表处理
58 Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
59 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
60 Node<K,V> next;
61 // 遍历链表，并将链表节点按原顺序进行分组
62 do {
63 next = e.next;
64 if ((e.hash & oldCap) == 0) {
65 if (loTail == null)
66 loHead = e;
67 else
68 loTail.next = e;
69 loTail = e;
70 }
71 else {
72 if (hiTail == null)
73 hiHead = e;
74 else
75 hiTail.next = e;
76 hiTail = e;
77 }
78 } while ((e = next) != null);
79 // 将分组后的链表映射到新桶中
80 if (loTail != null) {
81 loTail.next = null;
82 newTab[j] = loHead;
83 }
84 if (hiTail != null) {
85 hiTail.next = null;
86 newTab[j + oldCap] = hiHead;
87 }
88 }
89 }
90 }
91 }
92 return newTab;
93 }
整体步骤：
-
计算新桶数组的容量 newCap 和新阈值 newThr
-
根据计算出的 newCap 创建新的桶数组，桶数组 table 也是在这里进行初始化的
-
将键值对节点重新映射到新的桶数组里。如果节点是 TreeNode 类型，则需要拆分红黑树。如果是普通节点，则节点按原顺序进行分组。
总结起来，一共有三种扩容方式：
-
使用默认构造方法初始化HashMap。从前文可以知道HashMap在一开始初始化的时候会返回一个空的table，并且thershold为0。因此第一次扩容的容量为默认值
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY也就是16。同时threshold = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR = 12。 -
指定初始容量的构造方法初始化
HashMap。那么从下面源码可以看到初始容量会等于threshold，接着threshold = 当前的容量（threshold） * DEFAULT_LOAD_FACTOR。 -
HashMap不是第一次扩容。如果
HashMap已经扩容过的话，那么每次table的容量以及threshold量为原有的两倍。
细心点的人会很好奇，为什么要判断loadFactor为0呢？
loadFactor小数位为 0，整数位可被2整除且大于等于8时，在某次计算中就可能会导致 newThr 溢出归零。
疑问和进阶
1. JDK1.7是基于数组+单链表实现（为什么不用双链表）
首先，用链表是为了解决hash冲突。
单链表能实现为什么要用双链表呢?(双链表需要更大的存储空间)
2. 为什么要用红黑树，而不用平衡二叉树？
插入效率比平衡二叉树高，查询效率比普通二叉树高。所以选择性能相对折中的红黑树。
3. 重写对象的Equals方法时，要重写hashCode方法，为什么？跟HashMap有什么关系？
equals与hashcode间的关系:
-
如果两个对象相同（即用equals比较返回true），那么它们的hashCode值一定要相同；
-
如果两个对象的hashCode相同，它们并不一定相同(即用equals比较返回false)
因为在 HashMap 的链表结构中遍历判断的时候，特定情况下重写的 equals 方法比较对象是否相等的业务逻辑比较复杂，循环下来更是影响查找效率。所以这里把 hashcode 的判断放在前面，只要 hashcode 不相等就玩儿完，不用再去调用复杂的 equals 了。很多程度地提升 HashMap 的使用效率。
所以重写 hashcode 方法是为了让我们能够正常使用 HashMap 等集合类，因为 HashMap 判断对象是否相等既要比较 hashcode 又要使用 equals 比较。而这样的实现是为了提高 HashMap 的效率。
附上源码图：
4. HashMap为什么不直接使用对象的原始hash值呢?
1 static final int hash(Object key) {
2 int h;
3 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
4 }
我们发现，HashMap的哈希值是通过上面的方式获取，而不是通过key.hashCode()方法获取。
原因：
通过移位和异或运算，可以让 hash 变得更复杂，进而影响 hash 的分布性。
5. 既然红黑树那么好，为啥hashmap不直接采用红黑树，而是当大于8个的时候才转换红黑树？
因为红黑树需要进行左旋，右旋操作， 而单链表不需要。
以下都是单链表与红黑树结构对比。
如果元素小于8个，查询成本高，新增成本低。
如果元素大于8个，查询成本低，新增成本高。
至于为什么选数字8，是大佬折中衡量的结果-.-，就像loadFactor默认值0.75一样。
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