一文理清HashMap的实现及细节

前言

最近阅读了许多HashMap实现及源码分析的文章，特意此文记录HashMap的知识点。
HashMap 底层由数组 + 链表组成，在 jdk1.7 和 1.8 中具体略有不同。

JDK1.7的HashMap

数据结构：图片来源
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核心成员变量

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初始化桶大小（1<<4，即：16），因为底层是数组，所以这是数组默认的大小。
桶容量最大值。
默认的负载因子（0.75）
table 真正存放数据的数组。
Map 中存放元素数量。
桶的容量大小，可在初始化时显式指定。
负载因子，可在初始化时显式指定。

负载因子

当 存放的键值对数量(size) = 桶容量(threshold) * 负载因子(loadFactor)时，会发生扩容，而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作，所以非常消耗性能。因此最好提前预估 HashMap 的大小，尽量的减少扩容带来的性能损耗。

Entry

Entry是HashMap的一个内部类，用于保存键值对，实现HashMap中的链表，主要成员变量：

key：写入的键。
value: 写入的值。
next：开始的时候就提到 HashMap 是由数组和链表组成，所以这个 next 就是用于实现链表结构。
hash: 存放的是当前 key 的 hashcode。

桶初始大小为16的原因

要解释这个问题，首先要知道这个容量的用途。容量就是一个HashMap中"桶"的个数（数组的大小），当想要往一个HashMap中put一个元素的时候，需要通过一定的算法计算出应该把他放到哪个桶中。HashMap中通过以下两个方法实现计算一个元素对应的桶（数组的索引）

int hash(Object k)：该方法主要是将Object转换成一个整型。
int indexFor(int h, int length)：该方法主要是将hash生成的整型转换成链表数组中的下标。jdk1.8没有此方法，不过计算的方式相同。

static int indexFor(int h, int length) {return h & (length-1);
}

在保证length（容量）是2^n 的前提下，h & (length-1)相当于h % (length-1)，即用位运算(&)代替取模运算(%)

Java之所有使用位运算(&)来代替取模运算(%)，最主要的考虑就是效率。
位运算(&)效率要比代替取模运算(%)高很多，主要原因是位运算直接对内存数据进行操作，不需要转成十进制，因此处理速度非常快。

为什么保证容量为2^n即使用位运算(&)来实现取模运算(%)

总结：因为位运算直接对内存数据进行操作，不需要转成十进制，所以位运算要比取模运算的效率更高，所以HashMap在计算元素要存放在数组中的index的时候，使用位运算代替了取模运算。而等价代替，前提是要求HashMap的容量一定要是2^n。

由上述分析，容量只要为2^n即可，HashMap选择16的原因可能是个经验值。

既然一定要设置一个默认的2^n 作为初始值，那么就需要在效率和内存使用上做一个权衡。这个值既不能太小，也不能太大。太小了就有可能频繁发生扩容，影响效率。太大了又浪费空间，不划算。(官方未给出原因)

扩容

由上述分析：HashMap必须保证容量为2^n。因此在扩容时，HashMap会进行成倍的扩容（容量变为原来的2倍）。
扩容的步骤为：

新建数组：创建一个新的Entry空数组，长度是原数组的2倍。
重新计算hash：遍历原Entry数组，把所有的Entry重新Hash到新数组。

Put方法（头插法）

JDK1.7下的put方法添加新元素时使用头插法：即新来的值会成为头节点。

public V put(K key, V value) {//判断当前数组是否需要初始化if (table == EMPTY_TABLE) {inflateTable(threshold);}//如果 key 为空，则 put 一个空值进去。if (key == null)return putForNullKey(value);//计算键值hash值int hash = hash(key);//查找对应的桶的索引int i = indexFor(hash, table.length);//遍历链表for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {Object k;//遍历判断里面的 hashcode、key 是否和传入 key 相等，//如果相等则进行覆盖，并返回原来的值。if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {V oldValue = e.value;e.value = value;e.recordAccess(this);return oldValue;}}modCount++;//添加新键值对（头插法），会判断是否需要扩容addEntry(hash, key, value, i);return null;
}

头插法的问题

使用头插法，在扩容时会反转链表上元素的顺序。在多线程及需要扩容的条件下，可能出现环形链表，造成死循环。
jdk1.7HashMap出现环路（有个例子，但我感觉不是特别清楚）
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JDK1.8的HashMap

JDK1.7的HashMap在 Hash 冲突严重时，桶上形成的链表会变的越来越长，这样在查询时的效率就会越来越低；时间复杂度为 O(N)。
因此JDK1.8重点解决的此问题。
数据结构：图片来源
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主要区别

新的成员变量 TREEIFY_THRESHOLD 用于判断是否需要将链表转换为红黑树的阈值。链表长度大于等于该值时，会尝试转为红黑树（还需判断数组长度是否大于MIN_TREEIFY_CAPACITY）
新的成员变量 UNTREEIFY_THRESHOLD 用于判断是否需要红黑树转为链表的阈值。
用Node代替Entry，在达到红黑树阈值时，将链表转为红黑树提高查询效率。
put方法添加新的元素时，由头插法改为尾插法。使用尾插，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，就不会出现链表成环的问题。但在 HashMap 扩容的时候会调用 resize() 方法，此时并发操作仍然可能在一个桶上形成环形链表。
JDK1.8下的HashMap依旧是线程不安全的，只是用尾插法代替头插法解决了JDK1.7时，容易出现环形链表的问题。