说明
- 本文基于 jdk 8 编写。
- @author JellyfishMIX - github / blog.jellyfishmix.com
- LICENSE GPL-2.0
HashMap 的结构
图中的数组是 table 属性，hashMap 基础的属性。一个数组，用于承载 node，table 的每一个格被称为桶。
node 是 hashMap 中基础的 node 节点，用于存储 key, value。
桶位置计算的公式是
(n - 1) & hash，n 指 table 的长度，hash 指 key 的 hash 值。桶位置计算时有可能出现 hash 冲突的现象，在 jdk 1.7 及之前采用的是把 node 拼接成链表的方式。但如果 hash 冲突严重，桶位置上的链表会很长，影响查询性能。从 jdk 1.8 开始，改成了链表 + 红黑树的方式，在一个桶位置上元素很多的情况下，树的查询效率优于链表。
关键属性
table
/**
* The table, initialized on first use, and resized as
* necessary. When allocated, length is always a power of two.
* (We also tolerate length zero in some operations to allow
* bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
*
* hashMap 基础的属性。一个数组，用于承载 node，table 的每一个格被称为桶
*/
transient Node<K,V>[] table;
Node
/**
* Basic hash bin node, used for most entries. (See below for
* TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
*
* hashMap 中基础的 node 节点，用于存储 key, value
*/
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
}
modCount
这个属性与理解 HashMap 的核心流程无关，如果读者只关心核心流程，可以不用关注。
/**
* The number of times this HashMap has been structurally modified
* Structural modifications are those that change the number of mappings in
* the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g.,
* rehash). This field is used to make iterators on Collection-views of
* the HashMap fail-fast. (See ConcurrentModificationException).
*
* 用于记录修改次数，每次增删改时会维护它的值
* 在一个迭代器开始的时候，会把 modCount 用一个局部变量 mc 记录下来。迭代器遍历完成后，如果发现 modCount 和 mc 不相同，说明迭代期间 hashMap 进行过修改，则抛出异常。
* 关于迭代器遍历，可以看一下 EntrySet 内部类的 forEach 方法
*/
transient int modCount;
关于迭代器遍历，可以看一下 EntrySet 内部类的 forEach 方法。
/**
* 请注意，源码里 EntrySet 的其他成员属性和成员方法，这里不作展示
*/
final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public final void forEach(Consumer<? super Map.Entry<K,V>> action) {
Node<K,V>[] tab;
if (action == null)
throw new NullPointerException();
if (size > 0 && (tab = table) != null) {
// 把 modCount 用一个局部变量 mc 记录下来
int mc = modCount;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
action.accept(e);
}
// 迭代器遍历完成后，如果发现 modCount 和 mc 不相同，说明迭代期间 hashMap 进行过修改，则抛出异常。
if (modCount != mc)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
threshold 扩容阈值
/**
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
*
* 扩容阈值，由 capacity * loadFactor 得到。决定何时 hashMap 执行 resize 方法扩容
*
* @serial
*/
// (The javadoc description is true upon serialization.
// Additionally, if the table array has not been allocated, this
// field holds the initial array capacity, or zero signifying
// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
int threshold;
loadFactor 加载因子
/**
* The load factor for the hash table.
*
* 加载因子，决定了 hashMap 实际能存储的元素容量
*
* @serial
*/
final float loadFactor;
/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*
* 默认的 loadFactor 加载因子
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
加载因子是表示 HashMap 中元素的填满的程度。加载因子的目的是，为了降低 HashMap 中的 hash 冲突几率，防止大量 node 都因为 hash 冲突变成了链表或树，同时平衡占用的空间开销。
加载因子越大，填满的元素越多。优点是，空间利用率高了。缺点是，hash 冲突的机会加大了。
加载因子越小，填满的元素越少。优点是，冲突的机会减小了。缺点是，空间浪费多了。
默认的加载因子 DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f 算是在 hash 冲突几率与空间开销间做了取舍平衡。
构造方法
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and the default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity the initial capacity. 初始容量，由 capacity * loadFactor 可以得到扩容阈值 threshold
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
我们可以注意到，HashMap 里并没有 capacity 这个属性，我们在构造方法中传入的 capacity，其实会经过 capacity * loadFactor 计算，得到扩容阈值 threshold。
put 方法
/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
*
* put 方法，调用 Val 给指定的 key 添加对应的 value
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
* (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
* previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/
public V put(K key, V value) {
// 第一个 boolean false 表示：当要 put 的 key 在 hashMap 中已存在时，会直接覆盖原有 value。第二个 boolean true 不用关心，与主流程无关。
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
putVal
/**
* Implements Map.put and related methods.
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 如果目标 key 在 hashMap 中已经存在，则不会覆盖原有的 value
* @param evict if false, the table is in creation mode. 不用关心，与主流程无关
* @return previous value, or null if none
*/
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 table 还没有初始化，则初始化 table
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 桶位置计算公式: (n - 1) & hash。如果定位到的桶位置为空，则把 node 插入桶位置。p 指向桶位置
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// 桶位置不为空，说明出现 hash 碰撞，走 else 分支
else {
Node<K,V> e; K k;
// 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断桶位置上的 key 是否相同。如果相同则用 e 指向这个节点
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 判断桶位置上是否是一棵树，如果是一棵树，则调用树添加元素的方法，然后用 e 指向树上的这个节点
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 不是树，则说明是链表
else {
// 迭代链表，binCount 是链表长度计数
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 用 e 指向本次迭代的当前元素。如果本次迭代，当前元素为空，即到达了链表的尾部
if ((e = p.next) == null) {
// 向链表尾部追加 node
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果链表长度达到了阈值，把链表转换成树。链表转换树的阈值无法修改，因为是 final 修饰的。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断本次迭代的 key 是否相同。如果相同则用 e 指向这个节点。然后停止迭代链表。
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
// 维护当前元素，准备下一次迭代
p = e;
}
}
// 如果 e 不为空，说明要添加的 key 原先已存在于这个桶位置上，覆盖原有 value。这里体现了 hashMap 的 onlyIfAbsent 选项为 false 时，出现 key 相同时，会直接覆盖原有 value
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
// onlyIfAbsent 选项为 false 时，或原有 value 为 null 时，会直接覆盖原有 value
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
// 这个方法不用关心。留给 LinkedHashMap 回调用。
afterNodeAccess(e);
// 返回原有的 value
return oldValue;
}
}
// 维护修改次数计数
++modCount;
// 如果达到了扩容阈值，则 resize
if (++size > threshold)
resize();
// 这个方法不用关心。留给 LinkedHashMap 回调用。
afterNodeInsertion(evict);
// 没有找到 key 对应的 value，返回 null
return null;
}
有一个细节，链表转换树的阈值 TREEIFY_THRESHOLD 无法修改，因为是 final 修饰的，之前面试被问到过。
/**
* The bin count threshold for using a tree rather than list for a
* bin. Bins are converted to trees when adding an element to a
* bin with at least this many nodes. The value must be greater
* than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
* tree removal about conversion back to plain bins upon
* shrinkage.
*
* 链表转换树的阈值，无法修改，因为是 final 修饰的
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
get 方法
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
* key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
* it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
* indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
* possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
* The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
* distinguish these two cases.
*
* @see #put(Object, Object)
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
// 根据指定的 key 查找 node，返回 node 的 value
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
getNode
/**
* Implements Map.get and related methods.
*
* 根据指定的 key，查找 node
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @return the node, or null if none
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 如果 table 不为空，且根据 key 对应到的桶位置不为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断桶位置上的 key 是否相同
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 和目标 key 相同，返回当前节点
return first;
// 桶位置不为空，说明可能存在 hash 碰撞，判断桶位置上的元素是否有下一个节点
if ((e = first.next) != null) {
// 判断桶位置上是否是一棵树，如果是一棵树，则调用树查找元素的方法
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 不是树，则说明是链表，迭代链表
do {
// 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断本次迭代的 key 是否相同
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 和目标 key 相同，返回当前节点
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 没有找到 key 对应的元素，返回 null
return null;
}
resize 方法
常见的执行 resize() 方法的两种情况
在 HashMap 的 putVal 方法中，如果 table 未初始化，则会执行resize()，然后就初始化table。初始化 table 由 resize 负责。
// 如果 table 还没有初始化，则初始化 table
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
在 HashMap 的 putVal 方法中，存储的数据量大于 threshold 时，会执行 resize() 方法。
// 如果 hashMap 中的元素数量达到了扩容阈值，则 resize
if (++size > threshold)
resize();
在putVal()方法中，size表示当前HashMap的数据量，如果size大于threshold,则会执行该方法，进行扩容操作。
resize 方法源码
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* 初始化 hashMap 或给 hashMap 的 table 扩容两倍
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
// oldTab 指向旧 table
Node<K,V>[] oldTab = table;
// 旧 table 的长度
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
// oldThr 表示旧的扩容阈值 threshold。threshold = 数组长度 * 负载因子
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 当旧 table 的长度大于最大容量时的处理
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 如果旧的数组长度 * 2 后小于 int 的最大值，并且旧的数组长度大于 16
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
// 扩容阈值 * 2
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 如果旧的 threshold 大于 0，初始容量设置为旧的 threshold。这里在 table 初始化时会用到
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
// 扩容阈值为 0 表示使用默认值，DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16，DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75，因此默认的扩容阈值为 12
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 扩容阈值为 0 时的边界条件处理
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
// 将计算后得出的阈值赋值给 threshold 属性
threshold = newThr;
// 不用关心这个注解。这个注解在屏蔽一些无关紧要的警告，使开发者能看到一些他们真正关心的警告，降低开发者的心智负担。
// 创建一个新的 table，供扩容后使用
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
// 把新 table 赋值给 hashMap 的属性
table = newTab;
// 如果旧 table 不为空，开始扩容
if (oldTab != null) {
// 迭代遍历旧 table
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
// e 指向当前桶位置的元 node，当前桶位置的 node 不为空时
if ((e = oldTab[j]) != null) {
// 清空旧 table 的当前桶位置
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
// 如果当前桶位置的 node 不是链表不是红黑树，则根据桶位置计算公式，重新分配 node 的桶位置
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
// 如果当前桶位置的 node 是树，则使用树的方式，把旧树上的 node，重新分配到新的树中
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
// 不是树，则是链表
else { // preserve order
// 把链表中的所有节点分成两条链表
// 一条链表的 node 是不需要更换 table 下标的
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
// 一条链表的 node 是需要更换 table 下标的
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
// 迭代遍历链表
do {
next = e.next;
// 如果 e.hash & oldCap 进行二进制与运算，算出的结果为 0，即说明该 node 所对应的数组下标不需要改变。把该 node 追加到 loHead 链表上
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 否则说明该 node 所对应的数组下标需要改变。把该 node 追加到 hiHead 链表上
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 如果不需要更换 table 下标的 node 链表 -- loTail 不为空，则把 loTail 放在当前桶位置上
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 如果需要更换 table 下标的 node 链表 -- hiTail 不为空，则把 hiTail 放到新的桶位置上。并且计算公式是把当前 table 下标直接 + 旧 table 的长度
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
// 返回新创建的 table
return newTab;
}
两个个公式
(e.hash & oldCap) == 0 判断是否需要重新分配桶位置
e 是当前 node，oldCap 是旧数组的长度。这个公式算出的结果为 0，说明该 node (即 e)所对应的数组下标不需要改变。结果不为 0，说明该 node 所对应的数组下标需要改变。
(e.hash & oldCap) == 0 为什么能判断出是否需要重新分配桶位置？
这个公式是推导出来的，推导过程是数学，我们不需要关注。如果想了解此公式的推导请见：HashMap扩容时的rehash方法中(e.hash & oldCap) == 0算法推导
j + oldCap 桶位置重分配公式
j 是 node 的旧桶位置，oldCap 是旧 table 的长度。即 旧桶位置 + 旧 table 的长度。得到这个公式的运算结果，是扩容后该元素的新桶位置。可以理解为是桶位置重新分配的公式。
为什么这样能得到呢？我们来举例回答一下。
现在我们有一个 node key 的 hash 值是 9，对应的二进制位。旧 table 的长度 oldCap 是 8，新 table 的长度 newCap 是 16。以下是手写演算验证：
为什么 HashMap 扩容是 2 倍？
通过本文桶位置重新分配的公式 j + oldCap 手写验证，我们可以看出，当 HashMap 扩容两倍的时候，刚好可以用到 桶位置重新分配的公式 j + oldCap，加快计算重分配后的桶位置。同时，newCap = oldCap << 1 新 table 长度 = 旧 table 长度在二进制上左移一位，这样的位运算也很高效。
其实这里扩容倍数和桶位置重分配公式的配合，能体现出作者缜密的思考和深厚的数学功底。
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