HashMap原理探究

一、写随笔的原因：HashMap我们在平时都会用，一般面试题也都会问，借此篇文章分析下HashMap（基于JDK1.8）的源码。

二、具体的内容：

1.简介：

　　HashMap在基于数组+链表来实现的，能在查询和修改方便继承了数组的线性查找和链表的寻址修改。

2.工作原理：

　　HashMap是基于hashing的原理，我们使用put(key, value)存储对象到HashMap中，使用get(key)从HashMap中获取对象。当我们给put()方法传递键和值时，我们先对键调用hashCode()方法，计算并返回的hashCode是用于找到Map数组的bucket位置来储存Node 对象。这里关键点在于指出，HashMap是在bucket中储存键对象和值对象，作为Map.Node 。如下图：

3.对照源码分析：

首先HashMap类里面有个Node<K,V>静态内部类，里面包含四个属性：hash,calue,value,next代码如下（主要看有注释的那四行，其他可以忽略）：

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;  // 根据key值计算出的hash值
        final K key;  // 写入的key值
        V value;   // 写入的value值
        Node<K,V> next; // 用于指向链表的下一层

        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;
        }
    }

接下来看一下put方法的源码：

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

这里的hash(key)是计算出key所对应的hash值，继续看putVal()方法：

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; // 这里的tab就是table，后三行会赋值，下面我会直接说table而不是tab
　　　　　Node<K,V> p; // p就是table[i]，后面也会赋值的
 　　    int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)  // table是否为空或者长度为0
            n = (tab = resize()).length;    //满足则调用resize（）方法扩容
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)   // 计算出索引i，如果table[i] == null
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);  // 直接插入
        else {   // 如果table[i] !=null
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  //判断key是否存在了
                e = p;  //满足则直接覆盖旧值
            else if (p instanceof TreeNode)   // key不存在，继续判断是否table[i]是否是TreeNode（红黑树结构）
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);  //满足则在红黑树中插入键值对
            else {  // 不是红黑树结构
　　　　　　　　　　// 开始遍历表，并且插入
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) //如果链表长度大于等于8
                            treeifyBin(tab, hash);   // 链表转化为红黑树
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 如果链表中存在相同的key，直接覆盖旧值
                        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) // 容量达到阀值
            resize();  //扩容
        afterNodeInsertion(evict);  // 这个方法HashMap里面是空的，LinkedHashMap有实现方法，意思就是为了实现顺序插入
        return null;
    }

具体分析看下面的图：

接下来看一下gēt方法的源码：

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; //指定key 通过hash函数得到key的hash值
    }

上面的内部getNode()方法是根据hash值，知道对应的Node,并返回。然后就可以获得到里面的value值了。

4.一些问题：

　　1.HashMap中的碰撞探测(collision detection)以及碰撞的解决方法：

　　　当两个对象的hashcode相同时，它们的bucket位置相同，‘碰撞’会发生。因为HashMap使用LinkedList存储对象，这个Entry(包含有键值对的Map.Entry对象)会存储在LinkedList中。这两个对象就算hashcode相同，但是它们可能并不相等。 那如何获取这两个对象的值呢？当我们调用get()方法，HashMap会使用键对象的hashcode找到bucket位置，遍历LinkedList直到找到值对象。找到bucket位置之后，会调用keys.equals()方法去找到LinkedList中正确的节点，最终找到要找的值对象使用不可变的、声明作final的对象，并且采用合适的equals()和hashCode()方法的话，将会减少碰撞的发生，提高效率。不可变性使得能够缓存不同键的hashcode，这将提高整个获取对象的速度，使用String，Interger这样的wrapper类作为键是非常好的选择。

　　2.解决 hash 冲突的常见方法

　　   a. 链地址法：将哈希表的每个单元作为链表的头结点，所有哈希地址为 i 的元素构成一个同义词链表。即发生冲突时就把该关键字链在以该单元为头结点的链表的尾部。

　　   b. 开放定址法：即发生冲突时，去寻找下一个空的哈希地址。只要哈希表足够大，总能找到空的哈希地址。

　　　c. 再哈希法：即发生冲突时，由其他的函数再计算一次哈希值。

　　　d. 建立公共溢出区：将哈希表分为基本表和溢出表，发生冲突时，将冲突的元素放入溢出表。

　　　HashMap 就是使用链地址法来解决冲突的（jdk8中采用平衡树来替代链表存储冲突的元素，但hash() 方法原理相同）。数组中的每一个单元都会指向一个链表，如果发生冲突，就将 put 进来的 K- V 插入到链表的尾部。

三、总结：

这次hashmap大概就分析到这里，总的来说java8对HashMap进行了一些修改，最大不同使用了红黑树。当我们查找时，根据hash值来定位到数组的具体下标，之后再顺着链表一个一个的查找，时间复杂度为O（n）,当链表中的元素达到8以后会将链表转化为红黑树，时间复杂度则降为O（logN），提高了效率。

部分参考：https://blog.csdn.net/visant/article/details/80045154。