- 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)化等復雜內容沒有引用，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存儲結構-字段
- 分析HashMap的put方法
- 擴容機制
- Map中各實現(xiàn)類的總結
- 小結
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。隨著JDK（Java Developmet Kit）版本的更新，JDK1.8對HashMap底層的實現(xiàn)進行了優(yōu)化，例如引入紅黑樹的數(shù)據(jù)結構和擴容的優(yōu)化等。本文結合JDK1.7和JDK1.8的區(qū)別，深入探討HashMap的結構實現(xiàn)和功能原理。
內部實現(xiàn)
搞清楚HashMap，首先需要知道HashMap是什么，即它的存儲結構-字段；其次弄明白它能干什么，即它的功能實現(xiàn)-方法。下面我們針對這兩個方面詳細展開講解。
存儲結構-字段
從結構實現(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，如下如所示。
數(shù)據(jù)底層具體存儲的是什么？
從源碼可知，HashMap類中有一個非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶數(shù)組，明顯它是一個Node的數(shù)組。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的一個內部類，實現(xiàn)了Map.Entry接口，本質是就是一個映射(鍵值對)。上圖中的每個黑色圓點就是一個Node對象。
HashMap就是使用哈希表來存儲的。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，Java中HashMap采用了鏈地址法。鏈地址法，簡單來說，就是數(shù)組加鏈表的結合。在每個數(shù)組元素上都一個鏈表結構，當數(shù)據(jù)被Hash后，得到數(shù)組下標，把數(shù)據(jù)放在對應下標元素的鏈表上。
具體hash算法的原理我們不深入討論，有興趣的同學可以參考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。
我們得先了解下HashMap的幾個字段。從HashMap的默認構造函數(shù)源碼可知，構造函數(shù)就是對下面幾個字段進行初始化，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，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)，threshold是HashMap所能容納的最大數(shù)據(jù)量的Node(鍵值對)個數(shù)。threshold = length * Load factor。也就是說，在數(shù)組定義好長度之后，負載因子越大，所能容納的鍵值對個數(shù)越多。
結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此Load factor和length(數(shù)組長度)對應下允許的最大元素數(shù)目，超過這個數(shù)目就重新resize(擴容)，擴容后的HashMap容量是之前容量的兩倍。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，除非在時間和空間比較特殊的情況下，如果內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；相反，如果內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，這個值可以大于1。
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。注意和table的長度length、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內部結構發(fā)生變化的次數(shù)，主要用于迭代的快速失敗。強調一點，內部結構發(fā)生變化指的是結構發(fā)生變化，例如put新鍵值對，但是某個key對應的value值被覆蓋不屬于結構變化。
這里存在一個問題，即使負載因子和Hash算法設計的再合理，也免不了會出現(xiàn)拉鏈過長的情況，一旦出現(xiàn)拉鏈過長，則會嚴重影響HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，對數(shù)據(jù)結構做了進一步的優(yōu)化，引入了紅黑樹。而當鏈表長度太長（默認超過8）時，鏈表就轉換為紅黑樹，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、刪除、查找等算法。本文不再對紅黑樹展開討論，想了解更多紅黑樹數(shù)據(jù)結構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的內部功能實現(xiàn)很多，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。
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
①.判斷鍵值對數(shù)組table[i]是否為空或為null，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，如果table[i]==null，直接新建節(jié)點添加，轉向⑥，如果table[i]不為空，?轉向③；
③.判斷?table[i]的首個元素是否和key一樣，如果相同直接覆蓋value，否則轉向④，這里的相同指的是hashCode以及equals；
④.判斷table[i] 是否為treeNode，即table[i] 是否是紅黑樹，如果是紅黑樹，則直接在樹中插入鍵值對，否則轉向⑤；
⑤.遍歷table[i]，判斷鏈表長度是否大于8，大于8的話把鏈表轉換為紅黑樹，在紅黑樹中執(zhí)行插入操作，否則進行鏈表的插入操作；?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，如果超過，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，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，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，而HashMap對象內部的數(shù)組無法裝載更多的元素時，對象就需要擴大數(shù)組的長度，以便能裝入更多的元素。當然Java里的數(shù)組是無法自動擴容的，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，如果想裝更多的水，就得換大水桶。
我們分析下resize的源碼，鑒于JDK1.8融入了紅黑樹，較復雜，為了便于理解我們仍然使用JDK1.7的代碼，好理解一些，本質上區(qū)別不大，具體區(qū)別后文再說。
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)，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); //！！將數(shù)據(jù)轉移到新的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，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，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); //！！重新計算每個元素在數(shù)組中的位置
11 e.next = newTable[i]; //標記[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。假設了我們的hash算法就是簡單的用key mod 一下表的大小（也就是數(shù)組的長度）。其中的?哈希桶數(shù)組table的size=2， 所以key = 3、7、5，put順序依次為 5、7、3。在mod 2以后都沖突在table[1]這里了。這里假設負載因子 loadFactor=1，即當鍵值對的實際大小size 大于 table的實際大小時進行擴容。接下來的三個步驟是哈希桶數(shù)組 resize成4，然后所有的Node重新rehash的過程。
JDK8中對擴容機制又進行了優(yōu)化，涉及比較復雜的位操作，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
Java為數(shù)據(jù)結構中的映射定義了一個接口java.util.Map，此接口主要有四個常用的實現(xiàn)類，分別是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap，類繼承關系如下圖所示：
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，因而具有很快的訪問速度，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，允許多條記錄的值為null。HashMap非線程安全，即任一時刻可以有多個線程同時寫HashMap，可能會導致數(shù)據(jù)的不一致。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，或者使用ConcurrentHashMap。
(2) Hashtable：Hashtable是遺留類，很多映射的常用功能與HashMap類似，不同的是它承自Dictionary類，并且是線程安全的，任一時間只有一個線程能寫Hashtable，并發(fā)性不如ConcurrentHashMap，因為ConcurrentHashMap引入了分段鎖。Hashtable不建議在新代碼中使用，不需要線程安全的場合可以用HashMap替換，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，保存了記錄的插入順序，在用Iterator遍歷LinkedHashMap時，先得到的記錄肯定是先插入的，也可以在構造時帶參數(shù)，按照訪問次序排序。
(4) TreeMap：TreeMap實現(xiàn)SortedMap接口，能夠把它保存的記錄根據(jù)鍵排序，默認是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，當用Iterator遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。如果使用排序的映射，建議使用TreeMap。在使用TreeMap時，key必須實現(xiàn)Comparable接口或者在構造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。
對于上述四種Map類型的類，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。如果對象的哈希值發(fā)生變化，Map對象很可能就定位不到映射的位置了。
通過上面的比較，我們知道了HashMap是Java的Map家族中一個普通成員，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。下文我們主要結合源碼，從存儲結構、常用方法分析、擴容以及安全性等方面深入講解HashMap的工作原理。
小結
小結
(1) 擴容是一個特別耗性能的操作，所以當程序員在使用HashMap的時候，估算map的大小，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。
(2) 負載因子是可以修改的，也可以大于1，但是建議不要輕易修改，除非情況非常特殊。
(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，現(xiàn)在開始升級吧。HashMap的性能提升僅僅是JDK1.8的冰山一角。
參考
JDK1.7&JDK1.8 源碼。
Java 8系列之重新認識HashMap
CSDN博客頻道，HashMap多線程死循環(huán)問題，2014。
紅黑聯(lián)盟，Java類集框架之HashMap(JDK1.8)源碼剖析，2015。
CSDN博客頻道， 教你初步了解紅黑樹，2010。
Java Code Geeks，HashMap performance improvements in Java 8，2014。
Importnew，危險！在HashMap中將可變對象用作Key，2014。
CSDN博客頻道，為什么一般hashtable的桶數(shù)會取一個素數(shù)，2013。
