前言：Map接口
map是一个存储键值对的集合，实现了Map接口的主要类有以下几种
TreeMap：用红黑树实现
HashMap:数组和链表实现
HashTable:与HashMap类似，但是线程安全
LinkedHashMap:与HashMap类似，但是内部有一个双向链表来维持插入顺序或其他某种要求的顺序
下面来介绍HashMap的具体信息
存储结构
链表
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>{
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V>next;
}
Node<K,V>是用来存储一个键值对的，从next上我们可以看出这是一个链表结构，每一条链表上存储的是hash值相同的结点也就是键值对
哈希桶
transient Node<K,V>[] table;
哈希桶是一个数组结构，数组的每一个元素保存一条链表
所以HashMap内部是采用“拉链法”来实现，示意图如下
确定桶下标
确定桶下标也就是确定键值对保存在数组中的下标，是根据key的哈希值来确定的，是用key的哈希值取模桶的长度得到。
虽然key的hashCode是int型取值有40多亿，但是由于桶长度远远小于hashCode能够取到的值，就会常常发生取模后得到的下标值相同的情景，
这称为“哈希碰撞”。为了解决这个问题，java设置了扰动函数来尽量减少哈希碰撞，就是代码中的hash()函数
/**找到存放该key的桶的下标时，是通过hashCode与桶的长度取余得到的。
*由于取余是通过与操作完成的，会忽略hash值的高位。
* 扰动函数就是为了解决hash碰撞的。它会综合hash值高位和低位的特征，并存放在低位，因此在与运算时，
* 相当于高低位一起参与了运算，以减少hash碰撞的概率。（在JDK8之前，扰动函数会扰动四次，JDK8简化了这个操作）
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
扩容方法
介绍
设 HashMap 的 table 长度为 M，需要存储的键值对数量为 N，如果哈希函数满足均匀性的要求，那么每条链表的长度大约为 N/M，因此平均查找次数的复杂度为 O(N/M)。
为了让查找的成本降低，应该尽可能使得 N/M 尽可能小，因此需要保证 M 尽可能大，也就是说 table 要尽可能大。HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值，使得空间效率和时间效率都能得到保证。
和扩容相关的参数主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。
| 变量 | 含义 |
| capicity | 哈希桶的容量，默认为16，注意capicity一定是2的N次方（因为hashmap中很多运算都是用位运算代替的，2的N次方才会使位运算满足代码逻辑） |
| size | 键值对的数量 |
| threshold | 阀值。当键值对的数量size>threshold的时候就会发生扩容 |
| load_factor | 装载因子。threshold = capicity*load_factor |
扩容方法源码解析
final Node<K,V>[] resize() {
//初始哈希桶
Node<K,V>[] oldTab = table;
//初始哈希桶容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//初始阀值
int oldThr = threshold;
//设置新的哈希桶容量和阀值都为0
int newCap, newThr = 0;
//当前容量>0
if (oldCap > 0) {
//如果旧哈希桶容量超过最大值，将阀值设为int的最大值1<<31-1,不扩容直接返回旧哈希桶
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}//否则新的容量为旧的容量的2倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//阀值也为旧阀值的2倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}//当前哈希桶是空的，但是有阀值的，代表的是初始设置了容量和阀值的情况
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { //当前哈希表是空的且没有阀值，代表的是无参构造器的情况，则需要进行初始化
// zero initial threshold signifies using defaults
//容量设置为默认容量16
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
//阀值设置为默认容量*默认加载因子
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);
}
//更新阀值
threshold = newThr;
//根据新的容量创造新的哈希桶
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
//更新哈希桶引用
table = newTab;
//旧哈希桶不为空，将旧表中的数据复制到新哈希桶里
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//将旧哈希桶里的元素设为null，方便GC
oldTab[j] = null;
//若原来链表上只有一个节点（不会发生哈希碰撞）
if (e.next == null)
/* 则只需要将其放到新的哈希桶里
* 桶的下标值是哈希值&（桶的长度-1），由于桶的长度是2的N次方，因此这实际上是个模运算
* 但是用位运算效率更高
*/
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//如果链表的长度超过了阀值则要转为红黑树存储，暂且不讨论
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
//链表长度不超过阀值，将旧链表中的节点复制到新链表中
else { // preserve order
/*因为容量是翻倍扩大的，因此原链表上的节点可能放在存放在原来的位置上也就是low位
* 也可能存放在扩容后的下标上high上
* high = low+原哈希桶容量
*/
//低位链表头指针和尾指针
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
//高位链表头指针和尾指针
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
/*利用位运算判断是放在低位链表还是高位链表
* 利用哈希值 与 旧的容量，可以得到哈希值去模后，是大于等于oldCap还是小于oldCap，
* 等于0代表小于oldCap，应该存放在低位，否则存放在高位
*/
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);
//将低位链表放在原index处
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
//将高位链表放在新index处
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
put方法
jdk1.8采取的是“尾插法”，在此之前采用的是“头插法”
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* 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
* jdk1.8以前是头插法，jdk1.8是尾插法
* jdk1.8以前也没有转为成红黑树的设置，1.8中当链表长度大于threshold(默认为8)之后会转为红黑树
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//若哈希桶为空，则直接初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果当前index=hash&(n-1)处的节点是空的，代表没有发生哈希碰撞
//则直接生成一个新的node挂载上去
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {//发生了哈希碰撞
Node<K,V> e; K k;
//如果哈希值相同，key值也相同则覆盖
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)//红黑树暂且不谈
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {//不是覆盖操作，则插入一个普通节点
//遍历链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//找到尾节点
if ((e = p.next) == null) {
//插入节点
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果追加节点后数量大于8则变成红黑树
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;
}
}
//如果e不是null,说明有需要覆盖的节点
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
//覆盖原来Value并返回OldValue
e.value = value;
//空实现函数，用作LinkedHashMap重写复用
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//判断size是否需要扩容
if (++size > threshold)
resize();
//空实现函数，用作LinkedHashMap重写复用
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
get方法
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.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);
//循环链表，找到key扰动后的哈希值和key值都相等的Node返回
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
HashMap与HashTable比较
1、HashMap允许一个key为null，HashTable不予许
2、HashTable是线程安全的，因为给方法都加了synchronzied关键字
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
3、HashMap计算桶下标的时候运用了扰乱函数，HashTable直接用key的hashCode值
4、HashMap迭代器是fail-fast迭代器
5、HashMap不能保证随着时间推移元素的次序不变
6、HashMap扩容时扩大一倍，HashTable扩容时扩大一倍+1
7、HashMap中用了许多的位运算来代替HashTable中相同作用的普通乘除运算，效率更高
1）取模桶长度求下标时，用hashCode与（桶长度-1）代替取模运算
2）扩容操作判断放在低位链表还是高位链表时
/*利用位运算判断是放在低位链表还是高位链表
* 利用哈希值 与 旧的容量，可以得到哈希值去模后，是大于等于oldCap还是小于oldCap，
* 等于0代表小于oldCap，应该存放在低位，否则存放在高位
*/
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;
}
注意
1、jdk1.8中链表的长度大于8时就会转化成红黑树存储
2、在jdk1.8以前put方法是采取头插法的，jdk1.8中改成了尾插法
3、HashMap是线程不安全的