hashMap源码剖析
1，概述
搞java的人，都应该知道hashMap的底层数据结构是一个数组+链表（+红黑树）。
大体思路：首先是基于key做hash操作，然后与数组长度取模，定位到某个数组位置。如果冲突了（可能是hash冲突，或者是hash值与长度取模之后），就会在该数组位置再挂一个链表。jdk1.8以后当链表长度达到8之后，就转化为红黑树（因为链表的时间复杂度是N，红黑树是log N）,提升了性能。
以上是大概思路，其实jdk源码是优化的，比如hash算法，取模操作这些都是位运算来替代的。这篇文章暂时不涉及到树结构，后面有空再来聊聊树结构。画个简易图：
2，HashMap核心成员变量
先看看HashMap的核心成员，先了解下这些，后面源码部分都会看到。
#默认主的数据结构数组的初始化大小：16 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 #数组的最大大小 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; #负载因子 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; #将链表转化为红黑树的临界值 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; #将红黑树转化为链表的临界值 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; #转变成树的数组的最小长度，小于该值则不会进行树化 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; #主的数据结构数组 transient Node<K,V>[] table; #map的键值对的集合 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; #map中键值对的数量 transient int size; #用于统计map修改次数的计数器，用于fail-fast抛出ConcurrentModificationException transient int modCount; #数组长度大于该值，则数组会进行扩容 int threshold; #负载因子 final float loadFactor;
3，HashMap构造函数
hashMap构造函数有4种：
3.1 无参构造函数
public HashMap() {
#初始化只是设置了默认的负载因子为0.75 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }
3.2 传初始化容量构造函数
public HashMap(int initialCapacity) {
#推荐使用这种（因为数组扩容，数据再重新分配是比较消耗性能的。） this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); }
3.3 传初始化容量和负载因子
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;
#tableSizeFor()方法用于将传入的初始化容量转化为大于等于2的N次方的最接近初始化容量的数。比如传入7，threshold=8。threshold前面说过，这个数其实是当数组达到该长度，就会进行扩容 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); }
看看这个方法，tableSizeFor(initialCapacity)。
/** * Returns a power of two size for the given target capacity. */ static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
其实看jdk源代码，会发现运算绝大多数都是用的位运算，主要是为了提升性能。
|（按位或）：如
1101 | 0011 = 1111 0010 | 0101 = 0111
>>>(无符号右移运算符):如
0100 >>> 2 = 0001
算了。证明这个tableSizeFor()貌似没啥意义，作为码农，大概知道这个结论足够了。就跳过了。
3.4 传map转化为hashMap
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); }
putMapEntries(m, false):
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
#map的键值对的数量 int s = m.size(); if (s > 0) { if (table == null) { // pre-size float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
#设置threshold值 if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } else if (s > threshold) resize();
#将map的值遍历出来赋值到hashMap的数据结构。下面的putVal()下面会重点讲，暂时跳过 for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { K key = e.getKey(); V value = e.getValue(); putVal(hash(key), key, value, false, evict); } } }
4，hashMap核心方法
4.1 put()
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
#这是hashMap重写的hash算法。先右移16位，然后将高低16位做^操作，可以减少hash冲突的概率。 static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
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)
#主数据结构数组如果为空，则需要扩容。所以第一次put操作肯定会执行resize()。 n = (tab = resize()).length;
#如果数组对应的角标没有值，执行newNode()方法。（这里其实就是用的&位运算符来达到取模的效果的） if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
#就是创建一个Node,并指向它。这里相当就是只有数组的赋值操作。数组存放的元素就是Node,Node是hashMap的一个内部类 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k;
#这个判断条件其实就是判断传入的key是否相同（判断数组上的那个节点，不包含树和链表）。 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p;
#判断是否是数结构，是数结构则进行数的插入。后续会讲解数的数据结构 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
#走到这里说明数组该角标有值，也就是hash冲突了，所以这里是挂载链表操作。挂载链表就会遍历链表操作，如是否含有相同的key，有执行覆盖操作，没有就会遍历到链表最后然后挂载上去，而且还要判断是否需要把链表转化红黑树等等逻辑在里面 else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
#如果节点遍历到最后了，就创建一个新的Node挂载到链表最后 if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null);
这里判断是否需要将链表转化为红黑树，这里可以看出来当链表长度为8时就会转化为红黑树了 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash); break; }
#判断是否有key相同的情况（链表的节点，不包含数组那个节点，那个节点在前面就已经判断过了） if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } }
#这里是将相同的key的value做覆盖操作。这里onlyIfAbsent默认是false，就是要做覆盖。如果是true，就不会覆盖原有值。提出需求，怎么使用hashMap不覆盖相同key的value值。 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value;
#钩子函数，用于子类继承来实现，这里是空的。比如linkedHashMap就实现了。后面会说linkedHashMap afterNodeAccess(e); return oldValue; } }
#修改计数器 ++modCount;
#如果map的键值对数量>threshold时，进行扩容 if (++size > threshold) resize();
#钩子函数，用于子类继承来实现，这里是空的。比如linkedHashMap就实现了。后面会说linkedHashMap
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
put()方法需要了解的点：
1，重写了hash算法(将hash值右移了16位，然后与原有的hash值做了^操作)，可以减少hash冲突 ；
2，将优化算出来的hash值与(数组长度-1)做了&操作，替代了取模的操作；
3，插入流程：
1)首先基于前面1,2,找到数组角标，如果没有值，就插入到数组位置。
2)如果数组位置有值了，表明就是冲突了。然后先判断是否是相同的key，有就做覆盖操作；没有的话先判断是否是数结构，是数结构就插入到数里面；不是数结构就遍历插入到链表里。注意这里是单向链表。
4，数组扩容是2倍操作，源码为：
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold
5，扩容以后，所有的元素会重新rehash()。之前没冲突的可能会冲突了，之前冲突的可能没冲突了。不过基于[hash值与(数组长度-1)做了&操作]的rehash，会有这么一个规律：之前在index位置的， 重新rehash之后，要么在index位置，要么在index + oldCap位置。有兴趣的可以去研究下这个算法：
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) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } 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 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } 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; if ((e = oldTab[j]) != 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; if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
6，数据结构有数组，单向链表，红黑树。链表长度达到8就转化为红黑树。
7，预留了两个钩子函数，LinkedHashMap会实现的。
4.2 get()
public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; } 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) {
#这个其实就是判断传过来的key是否在数组这个数据结构，如果在就可以直接返回。 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first;
#如果不在，进入到这里就表示要么在链表中，要么在树节点了 if ((e = first.next) != null) {
#在树节点遍历 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
#在链表中遍历这个操作 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
get()方法需要了解的点：
get()方法还是蛮简单的。流程如下：首先定位到数组的位置，如果存在，就判断是否是第一个元素，是的话就直接返回，因为这时该节点肯定不在树或者单向链表了。不是就去树和单向链表查询。
5,一些问题的理解
5.1 hashMap的成员变量entrySet的生成过程
分析完put操作之后，发现并没有给entrySet做赋值操作。一开始我一直以为是插入的时候顺便将键值对放在Set集合中，如果真的是这样，不是又多了一个数据结构，而且数据保存两份，显然不会这样，下面来分析下这个问题。
当你执行完map.entrySet(),返回一个EntrySet对象，这个对象是hashMap的内部类，它的迭代器方法：
public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() { return new EntryIterator(); }
返回一个EntryIterator对象，源码如下：
final class EntryIterator extends HashIterator implements Iterator<Map.Entry<K,V>> { public final Map.Entry<K,V> next() { return nextNode(); } }
这里初始化的时候，会先初始化父类HashIterator,看看这个：
HashIterator() { expectedModCount = modCount; Node<K,V>[] t = table; current = next = null; index = 0; if (t != null && size > 0) { // advance to first entry do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null); } }
这里的table就是主的数据结构数组。所以分析下来能够总结出来：
entrySet是不存储数据的，是一个视图，遍历的时候还是去读取hashMap那些数据结构存储的数据的。
这里也有个小疑惑，测试代码如下
HashMap<String,String> map=new HashMap<String,String>(); map.put("zhangsan","18"); map.put("lisi","25"); map.put("wangwu","21"); Set set=map.entrySet();
为啥执行到这一步的时候，set就已经有值了。何时赋值进去的呢？源码没找到，希望知道的说一下。
5.2,怎么使用hashMap不覆盖相同key的value值
这个问题前面提出来过。其实实现起来很简单，就是装饰模式。在put的时候做个判断，如果有相同的key，就不需要执行hashMap的put操作了。那么是如何判断key相同呢？看源码：
if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
可以看出来只要实现了hashCode(）方法和equals()方法就能完成操作。
而String自身实现了这两个方法，所以实现demo如下：
/** * 如何实现hashMap相同key,不会覆盖的操作 */ class MyHashMap<K> extends HashMap<K, String> { @Override public String put(K key, String value) { //如果key相同就不执行操作 if(containsKey(key)){ return null; } //key不相同就执行hashMap的put()操作 return super.put(key, value); } } public class TestHashMap { public static void main(String[] args) { MyHashMap<String> hashMap = new MyHashMap<String>(); hashMap.put("zhangsan", "18"); hashMap.put("zhangsan", "25"); hashMap.put("zhangsan", "16"); for (Map.Entry entry : hashMap.entrySet()) { System.out.println(entry); } } }
结果为：
而如果是自定义的类，就需要再实现下hashCode()和equals()方法即可。例子：
/** * 如何实现hashMap相同key,不会覆盖的操作 */ class MyHashMap<K> extends HashMap<K, String> { @Override public String put(K key, String value) { //如果key相同就不执行操作 if (containsKey(key)) { return null; } //key不相同就执行hashMap的put()操作 return super.put(key, value); } } /** * 假设身份证号相同就视为同一个人 */ class Person { String name; String cardId; @Override public String toString() { return "Person{" + "name='" + name + '\'' + ", cardId='" + cardId + '\'' + '}'; } public Person(String name, String cardId) { this.name = name; this.cardId = cardId; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public String getCardId() { return cardId; } public void setCardId(String cardId) { this.cardId = cardId; } @Override public boolean equals(Object obj) { if (obj == this) { return true; } Person p = (Person) obj; if (this.getCardId().equals(p.getCardId())) { return true; } return false; } @Override public int hashCode() { return Objects.hash(cardId); } } public class TestHashMap { public static void main(String[] args) { MyHashMap<Person> hashMap = new MyHashMap<Person>(); Person p1 = new Person("zhangsan", "123"); Person p2 = new Person("lisi", "123"); Person p3 = new Person("wangwu", "234"); hashMap.put(p1, p1.getName()); hashMap.put(p2, p2.getName()); hashMap.put(p3, p3.getName()); for (Map.Entry entry : hashMap.entrySet()) { System.out.println(entry); } } }
结果为：
