Java HashMap源码深入分析讲解

1.HashMap是数组+链表（红黑树）的数据结构。

数组用来存放HashMap的Key，链表、红黑树用来存放HashMap的value。

2.HashMap大小的确定：

1） HashMap的初始大小是16，在下面的源码分析中会看到。

2）如果创建时给定大小，HashMap会通过计算得到1、2、4、8、16、32、64....这样的二进制位作为HashMap数组的大小。

    //如何做到的呢？通过右移和或运算，最终n = xxx11111。n+1 = xx100000，2的n次方，即为数组大小
    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : n + 1;
    }

3.如何将key映射成数组角标：

我们都知道数组的下标是0,1,2,3,4,5,6.....这样的连续整数，那么、HashMap是怎么将Key转换成对应的数组角标的呢？

	//1. int h = key.hashCode 得到key的hashCode.
    //2. int j = h>>>16 右移16位
    //3. int hash = h^j 异或，将hashCode变为hash值。
    //通过hash算法将hashCode转换为hash值，注意hash值和hashCode不是一回事。
    //4.int index = (n - 1) & hash，n是数组的长度，计算得到的index即为数组的角标。
	//有兴趣的朋友，可以写几行代码进行验证。
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
	static final int index(int hash,int n){
		return (n - 1) & hash;
	}

4.Value值如何存储？

HashMap将key的hashCode转换为数组角标，必然会存在多个元素的key转换成同一个角标的情况。针对这样的情况，HashMap采用链表和红黑数的方式存储Value值。java8以后默认先以单链表的方式存储。当单链表中的元素超过8个后，单链表会转换成红黑树数据结构。当红黑树上的节点数量少于6个会重新变为单链表结构。

5.put实现原理：

1）通过算法，计算出key对应的数组角标。

2）取出数组角标存储的节点，如果为null直接存储，如果不为null，则对链表进行遍历，先比较两个元素的hash值，再判断key的equale，如果一样，说明key已经存在，则不存储，这也就是hashmapKey不能重复的原因。如果不一样，则以链表或红黑树的方式存储。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //如果数组是null 或者长度为0，则创建数组 resize()
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            //resize既是创建，也是扩容
            n = (tab = resize()).length;
        //取出索引为i的Node赋值给p，如果为null，说明这个位置没有节点
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //创建Node，并放在角标为i的位置。这个node是一个单链表结构
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {//如果i的位置有节点，则添加到链表中
            Node<K,V> e; K k;
            //先判断hash是否一致，再判断key，如果一样，则说明是同一个Key，
            //直接将p赋值给e，这也就是hashMap和HashSet的key不能重复的原因
            if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//红黑树
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //创建新的node添加的链表的末尾
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //将下一个节点赋值给e。如果e==null，说明遍历到最后一个节点，
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //创建新的节点，添加到链表末尾
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
                        //当链表长度大于等于8时，
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);//转换成红黑树
                        break;
                    }
                    //去重
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    //将当前的e赋值给p
                    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) //添加元素个数大于数组长度时，进行扩容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

6.get方法，HashMap如何取出元素。

取数据时，如何判断传入的key和map中的key是同一个key呢？

e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))

通过源码可以看到，必须满足两个条件，hash值必须相等，然后再判断，key的引用是否一致，或者key的equals是否是true。这也就是为啥要同时复写对象的hashCode和equals方法的原因。

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;
        // 数组不为空且长度大于0，对应角标的第一个node，first
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
                (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && //如果和第一个是同一个直接返回
                    ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {//和链表第一个节点不一致，则进行遍历
                if (first instanceof TreeNode)//红黑树
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);//遍历链表取出和key一致的node
            }
        }
        return null;
    }

7.HashMap的扩容

扩容因子： static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

默认大小：static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

扩容阈值：int threshold;

 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) {//数组长度大于0
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                    oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY){
                newThr = oldThr << 1; // 数组大于默认大小时， 扩容阈值是原来的2倍
            }
        } else if (oldThr > 0) //初始化时，threshold已被设置（调用有参构造函数时）
            newCap = oldThr; //将数组长度设置为threshold值。
        else { //如果数组和阈值都为0 (调用无参构造函数)
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //默认数组大小，
            //扩容阈值为默认数组大小的0.75倍
            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;
        @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) {//遍历数组
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {//取出数组元素，也就是链表的第一个节点
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)//链表只有首个节点
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)//红黑树
                        ((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;
    }
}

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