HashMap 源码分析（一）

HashMap 被设计成专门用来存储键值对（key-value）形式的数据，每一个元素都是一个 Entry<K,V> 节点；它底层的数据结构是哈希表，它是一个数组，同时也是一个链表，简单来说，就是根据节点的 key 的 hash 值，来决定该元素存放在数组的位置，hash 值相同，则在该位置后面以链表的形式存储元素，本文简单分析下 HashMap 的源码，基于 JDK 1.8 。

先来看一张图，对 HashMap 的结构留个印象。

HashMap

上次听到这么一个例子，来解释 HashMap 很形象，说：微信里的通讯录，联系人是按照字典顺序排好的，A - Z 就像是一个固定的数组，联系人按照自己的首字母的拼音放在对应的数组里，如果拼音相同，则以类似链表的形式放在该位置后面；真的好形象，只不过HashMap 是以 key 的 hash 值来决定在数组的位置的。

构造方法

HashMap 的有多个构造方法，但最终都是为了初始化两个参数服务的，一个是容量，另一个是加载因子，HashMap 默认容量为 16，默认的加载因子为 0.75，即：默认当容量超过 3/4 时会进行扩容操作，扩容会将容量扩为当前容量的 2 倍。来看这几个成员变量的定义。

/** HashMap 默认初始化时的容量为 16，必须是 2 的倍数 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

/** HashMap 默认的加载因子，即默认当容量达到 3/4 时，会进行扩容操作 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/** 扩容后的容量的值大小*/
int threshold;

/** 加载因子(扩容因子) */
final float loadFactor;

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  // ...
  this.loadFactor = loadFactor;
  this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

tableSizeFor(capacity) 方法的作用就是将容量变为原来的两倍。

添加元素

put(k,v) 方法的大致思路：

计算出 key.hashCode() 的 hash 值；
对计算出的 hash 在进行一次 hash，计算出该 key 的 index；
如果 hash 值没碰撞则直接放到数组里；
如果 hash 值碰撞了
1. 以链表的形式存放在数组元素；
2. 如果碰撞导致链表过长(binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)，就把链表转换成红黑树；
3. 如果节点已经存在就替换 old value
如果容量满了(超过load factor*current capacity)，就要resize。

public V put(K key, V value) {
  	//对 key.hashCode() 做 hash
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
  	// tab 为空则创建
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
  	// 对 hash 值在做一次 hash，计算出 index
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
      	// 如果该 index 的元素为空，直接创建一个node
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else { // 该 index 有元素了
        Node<K,V> e; K k;
      	// 节点已经存在
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
      	// 该链为树
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
      	// 该链为链表
        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
                        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)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

查询元素

get(key) 方法的大致思路：

计算出 key.hashCode() 的 hash 值
查找数组第一个元素节点，如果 hash 值相等，key 也相等，直接返回这个节点；
如果不是第一个元素，则通过判断 key 是否相等去查找对应的节点
1. 若为树，则在树中去查找；
2. 若为链表，则在链表中去查找；

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) {
      	// 判断与数组第一个节点元素是否相等
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
      	// 不相等
        if ((e = first.next) != null) {
          	// 从树中查找
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
          	// 在链表中查找
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

hash 函数

在 get 和 put 方法中，计算下标时，先对 key.hashCode() 进行 hash 操作，然后通过计算出的 hash 在进行一次hash 操作，两个过程的代码如下：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

1	int index = (n - 1) & hash

整个计算的过程如下图（图片来自参考文章里）：

index 计算过程

在 Java 8 之前的实现中是用链表的，在产生碰撞的情况下，进行 get 时，两步的时间复杂度是O(1) + O(n)。因此，当碰撞很厉害的时候 n 很大，O(n) 的速度显然是影响速度的。

因此在 Java 8 中，利用红黑树替换链表，这样复杂度就变成了O(1) + O(logn) 了，这样在 n 很大的时候，能够比较理想的解决这个问题，在 Java 8：HashMap的性能提升一文中有性能测试的结果。

resize 函数

resize 会把容量变为原来的 2 倍，之后重新计算 index，再把节点放到新的数组中。

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) {
      	 // 超过最大值就不再扩充了
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
      	// 没超过最大值，就扩充为原来的2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);
    }
  	// 计算新的resize上限
    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) {
      	// 把每个元素都移动到新的数组中
        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;
                      	// 原索引
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                      	// 原索引+oldCap
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                  	// 原索引放到新数组里
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                  	// 原索引+oldCap放到新数组里
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

本文大量参考自：Java HashMap工作原理及实现，推荐移步查看。