走近Java之HashMap In JDK8

HashMap，继承AbstractMap类，实现了Map接口，特性是无序不可重复，其本身的数据结构是数组加链表和红黑树。今天我们就一起来详细了解一下。

首先，需要知道，HashMap中几个关键词的含义。

capacity，容量，即数组长度，默认值16

loadFactor，负载因子，即数组扩容系数，默认值是0.75；

threshold，阀值，threshold = capacity * loadFactor，当数组的长度达到或超过阀值时，才进行扩容，

HashMap中数组存放的数据类型是一个静态内部类Node，其数据结构如下

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;
    … …
}

当new一个HashMap对象时，只是将负载因子赋值为默认值0.75.

执行put方法时，调用内部的putVal()方法，并重新计算了key的hash值。

计算方法是：将key的hashcode和自己的高16位做异或运算（之所以是高16位，是因为普遍hashcode都大于2的16次方，让高16位参与hash计算，可以尽量的合理分配）

具体put逻辑如下：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    //如果当前数组为空或者长度为0，则先调用resize()方法对数组初始化
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    //(n - 1) & hash]，相当于用hash值对数组长度-1进行mod运算，把结果作为数组下标
    //如果数组下标所在位置是null，直接创建一个Node对象并存入数组当前位置
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {//如果数组下标所在位置有值
        Node<K,V> e; K k;
        //如果下标所在节点的hash值与传入的hash值相等，并且两者key的地址值相等，或者key值相等，则用传入的新值覆盖旧值，返回旧值，见下方e!=null逻辑
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //存储结构由链表转为红黑树，这里后续再说
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {//hash碰撞，即待put的hash值与当前节点的hash值相等，但是key值不同
            //循环遍历当前节点链表
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                //如果当前节点是链表的尾节点
                if ((e = p.next) == null) {
                    //创建一个Node对象作为新的尾节点，然后将当前节点指向它
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //如果链表长度大于等于7，则转为红黑树（TREEIFY_THRESHOLD默认值8）
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //如果链表的某一个节点hash值与put的hash值相等，并且两者key的地址值相等，或者key值相等，则用传入的新值覆盖旧值，返回旧值，见下方e!=null逻辑
                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;
            //抽象方法，提供给LinkedHashMap
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    //记录HashMap结构被修改的次数
    ++modCount;
    //数组长度+1，如果此时数组长度大于阀值，则数组扩容，重新计算并存储节点
    if (++size > threshold)
        resize();
    //抽象方法，提供给LinkedHashMap
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

数组扩容逻辑如下：

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) {//当前数组容量>0
        //如果数组容量>=设置的最大容量2的30次方，则把数组的阀值改为Integer最大值
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        //正常扩容，将数组容量*2，数组阀值*2
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    //数组容量为0，阀值>0，则把数组容量设为阀值
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        //第一次初始化数组，容量赋值默认值16，阀值=12
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    //即else if (oldThr > 0)条件，重新计算阀值
    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"})
    //创建新的容量长度数组
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        //循环遍历旧数组，重新计算节点hash值在新数组对应的下标，存储节点
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            //当前节点不为空
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                //释放旧数组内存，垃圾回收
                oldTab[j] = null;
                //如果节点不是链表，节点hash值和新的容量-1进行取mod运算，结果作为存放节点的新位置
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                //存储结构由链表转为红黑树，这里后续再说
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { //如果当前节点结构为链表
                    //定义一个低位链表头和尾，用来存放在新容量数组中位置和旧数组中位置一样的节点
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    //定义一个高位链表头和尾，用来存放在新容量数组中位置发生变化的节点（在新数组中的位置=旧数组中的位置+旧数组长度）
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    //循环遍历节点链表，构建新的节点链表
                    do {
                        next = e.next;
                        //如果节点hash值&旧数组长度的运算结果为0，表示节点在新数组中的位置和旧数组中位置一样
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            //让链表头节点指向链表的第一个节点
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                //每一次循环，让前一个节点指向后一个节点
                                loTail.next = e;
                            //每一次循环，让链表尾节点指向最后一个节点
                            loTail = e;
                        }
                        else {//逻辑同上
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    //去掉新构建链表的尾结点，存入新的数组
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    //逻辑同上
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

HashMap put方法要点总结：

1. 计算hash值(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)

2. 计算数据存放位置(n - 1) & hash

3. 如果发生hash碰撞，则进行equals比较

4. 当数组长度超过阀值，则2倍扩容

故，HashMap存放的key如果是对象，最好都重写hashCode()和equals()，并且初始化时给定初始容量，减少扩容次数。