简介

它根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。

内部实现

HashMap使用了数组来存储值，当发生冲突的时候，使用链表+红黑树(红黑树是JDK1.8新特性)来处理冲突。

类的属性

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

    // 序列号

    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;  

    // 默认的初始容量是16

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   

    // 最大容量

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 

    // 默认的填充因子

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    // 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树

    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 

    // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表

    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

    // 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小

    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

    // 存储元素的数组，总是2的幂次倍

    transient Node<k,v>[] table; 

    // 存放具体元素的集

    transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;

    // 存放元素(键值对)的个数，注意这个不等于数组的长度。

    transient int size;

    // 每次扩容和更改map结构的计数器

    transient int modCount;   

    // 临界值 当实际大小(table[].length容量*loadFactor填充因子)超过临界值时，会进行扩容，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍。

    int threshold;

    // 填充因子

    final float loadFactor;

}

Node数组

HashMap中的桶数组就是使用Node类来实现的，Node类实现了Map.Entry接口，本质上就是一个键值对。

transient Node<K,V>[] table;

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

    final int hash;

    final K key;

    V value;

    Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {

        this.hash = hash;

        this.key = key;

        this.value = value;

        this.next = next;

    }

    public final K getKey()        { return key; }

    public final V getValue()      { return value; }

    public final String toString() { return key + "=" + value; }

    public final int hashCode() {

        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);

    }

    public final V setValue(V newValue) {

        V oldValue = value;

        value = newValue;

        return oldValue;

    }

    public final boolean equals(Object o) {

        if (o == this)

            return true;

        if (o instanceof Map.Entry) {

            Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;

            if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&

                Objects.equals(value, e.getValue()))

                return true;

        }

        return false;

    }

}

重要方法

put()和putVal()方法

put()调用了putVal()，因此重要操作都在putVal()当中。

public V put(K key, V value) {

    return putVal(hash(key), key, value, false, true);

}

putVal()作用是将新的键值对插入到table中。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,

               boolean evict) {

    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;

    // 如果为空就要进行扩容

    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)

        n = (tab = resize()).length;

    // (n-1)&hash 是确定放在哪个bucket中

    // 如果元素的计算hash后的位置在table中的bucket暂时没有元素,

    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

    else {

        HashMap.Node<K,V> e; K k;

        // 如果table[hash]的key就是传入的key,那么可以直接覆盖,不用到树或者链表中找

        if (p.hash == hash &&

                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

            e = p;

        else if (p instanceof HashMap.TreeNode)

            // 如果结点采用红黑树处理冲突

            e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

        else {

            // 如果结点采用链表处理冲突,则在链表末尾插入新的键值对

            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {

                if ((e = p.next) == null) {

                    // 链表末尾插入

                    p.next = newNode(hash, key, value, null);

                    // 如果链表长度大于转化为红黑树的阈值就要变为树

                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st

                        treeifyBin(tab, hash);

                    break;

                }

                // 找到就退出

                if (e.hash == hash &&

                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                    break;

                // 迭代遍历

                p = e;

            }

        }

        // 如果能在hashmap中找到key

        if (e != null) { // existing mapping for key

            V oldValue = e.value;

            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)

                e.value = value;

            afterNodeAccess(e);

            return oldValue;

        }

    }

    ++modCount;

    // 实际大小大于阈值就要扩容

    if (++size > threshold)

        resize();

    afterNodeInsertion(evict);

    return null;

}

get()和getNode()方法

get()与getNode()的关系与put()和putVal()关系类似。

public V get(Object key) {

    Node<K,V> e;

    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;

}

getNode()

final HashMap.Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {

    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> first, e; int n; K k;

    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&

            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

        // 如果bucket的第一个key就是要找的key

        if (first.hash == hash && // always check first node

                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

            return first;

        if ((e = first.next) != null) {

            // 如果是红黑树结点

            if (first instanceof HashMap.TreeNode)

                return ((HashMap.TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

            // 否则就遍历链表

            do {

                if (e.hash == hash &&

                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                    return e;

            } while ((e = e.next) != null);

        }

    }

    return null;

}

resize()方法

resize()的作用是table[]达到阈值后就要扩容，返回新的table[]。

这里如果原数组的某个bucket是用链表来处理冲突，那么因为容量和扩容都是2的幂，因此有些优化，在后面提到。

final HashMap.Node<K,V>[] resize() {

    HashMap.Node<K,V>[] oldTab = table;

    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;

    int oldThr = threshold;

    int newCap, newThr = 0;

    if (oldCap > 0) {

        // 如果之前table大小达到最大容量上限(1<<30)

        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {

            // 阈值调整为最大的整数

            threshold = Integer.MAX_VALUE;

            return oldTab;

        } // 否则就容量翻倍

        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"})

    HashMap.Node<K,V>[] newTab = (HashMap.Node<K,V>[])new HashMap.Node[newCap];

    table = newTab;

    // 原来的table[]不为空,就进行复制

    if (oldTab != null) {

        // 遍历bucket

        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {

            HashMap.Node<K,V> e;

            // 如果bucket不为空

            if ((e = oldTab[j]) != null) {

                oldTab[j] = null;

                // 如果只有一个元素,直接放入

                if (e.next == null)

                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;

                // 否则是树实现

                else if (e instanceof HashMap.TreeNode)

                    ((HashMap.TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);

                // 是链表实现

                else { // preserve order

                    // 这里与容量和扩容都为2的幂有关,在后面讲

                    HashMap.Node<K,V> loHead = null, loTail = null;

                    HashMap.Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;

                    HashMap.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;

}

容量设置为2的幂的优点

计算Hash时候

方法一：

static final int hash(Object key) {   //jdk1.8 & jdk1.7

     int h;

     // h = key.hashCode() 为第一步 取hashCode值

     // h ^ (h >>> 16)  为第二步 高位参与运算

     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

}

方法二：

static int indexFor(int h, int length) {  //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的

     return h & (length-1);  //第三步 取模运算

}

在计算hash的时候，因为n为2的幂，因此可以使用 hashPostion = hash & (n-1) 来代替取模运算，可以加快计算速度。

扩容时候

扩容的时候，扩容也是原容量乘二，这样可以省去重新计算hash的时间，因为元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置。这里将原来的size为2扩容为4.

这样只需要看原来的hash在扩容后的那一位是1还是0就可以得到新的hash值了。是1的话newHash = oldHash + oldCap(扩容前的容量) / 2。

至于扩容后的那一位是1还是0完全是随机的，因此可以看作概率相等，所以这样之后新的桶数组(bucket)的原来那个位置有一半的结点会分到新的位置。

这里用源码中扩容时候链表的修改做例子。

HashMap.Node<K,V> loHead = null, loTail = null;

HashMap.Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;

HashMap.Node<K,V> next;

do {

    next = e.next;

    // 如果扩容后的那一位是0,说明位置没有改变

    if ((e.hash & oldCap) == 0) {

        if (loTail == null)

            loHead = e;

        else

            loTail.next = e;

        loTail = e;

    } // 否则是改变了,会最后放到原位置+oldCap的位置

    else {

        if (hiTail == null)

            hiHead = e;

        else

            hiTail.next = e;

        hiTail = e;

    }

} while ((e = next) != null);

// 原索引放到bucket里

if (loTail != null) {

    loTail.next = null;

    newTab[j] = loHead;

}

// 原索引+oldCap放到bucket里

if (hiTail != null) {

    hiTail.next = null;

    newTab[j + oldCap] = hiHead;

}

总结

HashMap为线程不安全的，在put的时候可能导致数据丢失，要线程安全需要使用ConcurrentHashMap。
JDK1.8引入了红黑树会使得链表长度过长后，找元素需要的O(n)时间缩短为O(logn)。

参考：http://www.importnew.com/20386.html

巴特西

JDK1.8集合之HashMap

简介