背景 #
HashMap近年来是Java面试经常会被问到的知识点，现在也有很多的博客对这个做了介绍，但是我个人感觉这些博客的关注点都倾向于面试问答，看完后好像对HashMap还是似懂非懂。所以我想从源代码出发写这一篇内容，因为能力和所学知识有限，如果文章内容有任何问题欢迎大家批评指正！
笔者的JVM版本是hotspot的1.8.0版本，具体细节如下：
首先从Java API文档来看对HashMap的介绍，
可以看到HashMap位于util包下，所有实现的接口为Serializable, Cloneable和Map<K,V>，
子类包括LinkedHashMap和PrinterStateReasons，如下图所示：
以下是官方对HashMap的解释：
HashMap是基于哈希表的Map接口实现。这个实现提供了所有可选的map操作，并允许空值和空键
这个类不保证映射的顺序；特别是，它不能保证随着时间的推移，顺序将保持不变。在哈希函数将元素正确地分散在存储桶（buckets）中的前提下，这种实现为基本操作（get和put）提供了常数时间的性能。
对集合视图的迭代需要与HashMap实例的capacity（bucket的数量），加上它的大小（键值映射的数量）成比例的时间。因此，如果迭代性能很重要，那么不要将初始容量设置得太高（或者负载系数太低）。
HashMap的实例有两个影响其性能的参数：初始容量（initial capacity）和负载因子（load factor）。容量是哈希表中存储桶的数量，初始容量只是创建哈希表时的容量。负载因子是在哈希表的容量自动增加之前，允许哈希表获得的完整度的度量。当哈希表中的条目数超过负载因子和当前容量的乘积时，哈希表将被rehashed（即，重建内部数据结构），以便哈希表具有大约两倍的存储桶数。
一般来讲，**默认负载系数（.75）**在时间和空间成本之间提供了一个很好的折衷。较高的值会减少空间开销，但会增加查找成本（反映在HashMap类的大多数操作中，包括get和put）。在设置初始容量时，应考虑map中的预期条目数（number of entries）及其负载系数，以尽量减少rehash操作的次数。如果初始容量大于最大条目数除以负载系数，则不会发生rehash操作。
如果要在HashMap实例中存储多个映射，那么使用足够大的容量创建它将允许更有效地存储映射，而不是让它根据需要执行rehash以增加表。请注意，使用具有相同hashCode（）的多个键肯定会降低任何哈希表的性能。为了改善影响，当键是Comparable时，此类可以使用键之间的比较顺序来帮助打破联系。
Note that this implementation is not synchronized. 如果多个线程同时访问hash map，并且至少有一个线程在结构上修改了该映射，则必须在外部对其进行同步(结构修改是添加或删除一个或多个映射的任何操作；仅仅更改与实例已包含的键相关联的值并不是结构修改。）这通常是通过在自然封装映射的某个对象上进行同步来实现的。如果不存在这样的对象，则应该使用Collections.synchronizedMap方法“包装”映射。最好在创建时执行此操作，以防止对map的意外非同步访问：
Map m=Collections.synchronizedMap（new HashMap（…））；
这个类的所有“集合视图方法”返回的迭代器都是fail-fast 的：如果在迭代器创建之后的任何时候，以任何方式（除了通过迭代器自己的remove方法）对映射进行结构修改，迭代器将抛出ConcurrentModificationException。因此，在面对并发修改时，迭代器会快速而干净地失败，而不是冒着在将来不确定的时间出现任意的、不确定的行为的风险。
注意，不能保证迭代器的fail-fast 行为，因为一般来说，在存在非同步并发修改的情况下，不可能做出任何硬保证。Fail-fast 迭代器会尽最大努力抛出ConcurrentModificationException。因此，编写一个依赖于此异常来保证其正确性的程序是错误的：迭代器的fail-fast行为应该只用于检测bug。
此类是Java集合框架的成员。
以上内容是官方的API文档对HashMap的解释，因为原文档是全英的描述，如果翻译有错还请帮忙指正。下面从HashMap.java类出发来介绍。
基本结构 #
HashMap.java类总共有两千多行，涉及十多个方法。
成员变量如下：
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16，初始容量必须是2的幂
//1 << 4表示将1左移4位，即1 -> 10000（2） = 16，说明初始容量是16
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //最大容量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //默认负载因子
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; //转化为红黑树需要的链表节点数
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //resize操作期间（拆分）存储箱的计数阈值应该大于6小于8
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; //最小可以被树化（treeified）的表容量
//为了调整 resizing和treeification thresholds之间的矛盾， MIN_TREEIFY_CAPACITY应该至少为4 * TREEIFY_THRESHOLD
transient Node<K,V>[] table; //键值对表
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; //保留缓存的entrySet（）
transient int size; //包含的键值对的数量
transient int modCount; //HashMap在结构上被修改的次数
int threshold; //要调整大小的下一个大小值（容量*负载系数）
final float loadFactor; //负载因子
构造方法有以下几种：
//1.无参
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
//2.初始容量
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//3.初始容量和负载因子
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;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//4.利用已有的map构造一个新的HashMap
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false); //这里用到了putMapEntries方法
}
主要的成员方法： #
- 首先是putMapEntries方法，它是用来初始化构造方法的
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
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);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
else if (s > threshold)
resize();
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);
}
}
}
在这个方法中进行了一系列的判定，并且得到了每一个键值对，最后又调用了putVal（）方法进行初始化。putVal（）方法是整个扩容，链表转换为红黑树的进入方法。同时很多其他方法的内部都会通过调用这个方法来改变整个HashMap的结构，具体细节如下：
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) //判断table是否为空或者大小是否为0
n = (tab = resize()).length; //如果为空或为0，就调用resize方法，方法最后会返回大小0
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //如果hash之后的table对应处没有值，则创建新的Node并赋值
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else { //说明hash之后的table对应处已经有值了
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st，这里需要转换成红黑树
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold) //当容量超过了threshold就要进行扩容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
关于hash算法的细节可以参考这篇博客HashMap中的hash算法总结_晴天-CSDN博客_hashmap的hash算法
在方法最开始就用到了Node<K,V>，这是HashMap.java的一个内部类，它实现了Map.Entry<K,V>接口，部分代码如下：
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;
}
…… //省略了部分set,get方法
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;
}
}
这里就是说通过Node类把传进来的key,value做了一个封装，同时也指出了下一个Node的地址。另外这里还用到了一些别的方法，像newNode，treeifyBin等都是一些封装的方法，且都能见名知意，所以这里就不再列出。除了Node以外HashMap还创建了一个TreeNode<K,V>的内部类继承自LinkedHashMap.Entry<K,V>。因为链表数超过8的时候要转成红黑树，所以TreeNode就用来表示树结点。而Node用来表示链表的结点。TreeNode的部分代码实现如下：
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
…… //这里省略了和红黑树相关的一些方法实现
}
- resize方法，当bucket的容量超过了threshold的值，就要进行扩容。这里主要先判断是否table为空，如果为空就设置容量为0，否则就采用原来table的大小。然后当原始容量大于0时判断有没有超过或等于最大容量，如果是的话就赋值为最大容量。否则就将原始容量左移一位，即将容量扩大为原来的二倍。
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; //如果之前表为空，就创建大小为0；否则为原来的大小
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { //超过最大容量返回最大容量
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; //改变threshold的值
@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;
}
- 对外提供的一些API
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
putMapEntries(m, true);
}
……
以上就是HashMap的部分实现，因为篇幅所限，关于一些细节性的问题本文没有作详细的说明，感兴趣的读者可以去阅读HashMap的源码。
Last modified on 2021-10-03