从源码角度来谈谈 HashMap-编程知识

HashMap的知识点可以说在面试中经常被问到，是Java中比较常见的一种数据结构。所以这一篇就通过源码来深入理解下HashMap。

1 HashMap的底层是如何实现的？(基于JDK8)

1.1 HashMap的类结构和成员

/**
HashMap继承AbstractMap,而AbstractMap又实现了Map的接口
*/ 
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

从上面源码可以看出HashMap支持序列化和反序列化，而且实现了cloneable接口，能支持clone()方法复制一个对象。

1.1.1 HashMap源码中的几个成员属性

//最小容量为16，且一定是2的幂次
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16//最大容量为2的30次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;// 默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//当某节点的链表长度大于8并且hash数组的容量达到64时，链表将会转换成红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//当链表长度小于6时，红黑树将转换成链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;//链表变成红黑树的最小容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

从上面的源码可以看出，JDK1.8的HashMap实际上是由数组+链表+红黑树组成，在一定条件下链表会转换成红黑树。这里要谈一下默认加载因子为什么为0.75（3/4），加载因子也叫扩容因子，用来判断HashMap什么时候进行扩容。**选择0.75的原因是为了平衡容量与查找性能：扩容因子越大，造成hash冲突的几率就越大，查找性能就会越低，反之扩容因子越小，所占容量就会越大。**于此同时，负载因子为3/4的话，和capacity的乘积结果就可以是一个整数。

下面再看看hash数组中的元素

1.1.2 HashMap中的数组节点

hash数组一般称为哈希桶（bucket），结点在JDK1.7中叫Entry，在JDK1.8中叫Node。

//1.8中Node实现entry的接口
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {//每个节点都会包含四个字段：hash、key、value、nextfinal int hash;final K key;V value;Node<K,V> next;//指向下一个节点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; }//hash值是由key和value的hashcode异或得到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;//判断o对象是否为Map.Entry的实例if (o instanceof Map.Entry) {Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;//再判断两者的key和value值是否相同if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&Objects.equals(value, e.getValue()))return true;}return false;}
}
//这个是扰动函数，减少hash碰撞
static final int hash(Object key) {int h;//将key的高16位与低16位异或（int是2个字节，32位）return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}

1.2 HashMap中的方法

1.2.1 查询方法

public V get(Object key) {Node<K,V> e;//将key值扰动后传入getNode函数查询节点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;//判断哈希表是否为空，第一个节点是否为空if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {//从第一个节点开始查询，如果hash值和key值相等，则查询成功，返回该节点if (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return first;//查询下一个节点if ((e = first.next) != null) {//若该节点存在红黑树，则从红黑树中查找节点if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);//若该节点存在链表，循着链表查找节点do {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null;
}

1.2.2 新增方法

向哈希表中插入一个节点

public V put(K key, V value) {//将扰动的hash值传入，调用putVal函数return putVal(hash(key), key, value, false, true);}
//当参数onlyIfAbsent为true时，不会覆盖相同key的值value;当evict是false时，表示是在初始化时调用
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;//若哈希表为空，直接对哈希表进行扩容if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;//若当前节点为空，则直接在该处新建节点if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);else {//若当前节点非空，则说明发生哈希碰撞，再考虑是链表或者红黑树Node<K,V> e; K k;//如果与该节点的hash值和key值都相等,将节点引用赋给eif (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;//如果p是树节点的实例，调用红黑树方法新增一个树节点eelse if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//若该节点后是链表else {for (int binCount = 0; ; ++binCount) {//遍历到链表末尾插入新节点if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);//若插入节点后，链表节点数大于转变成红黑树的临界值（>=8）if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st//将链表转换成红黑树treeifyBin(tab, hash);break;}//遍历过程中发现了key和hash值相同的节点，用e覆盖该节点if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break;p = e;}}//对e节点进行处理if (e != null) { V oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}//节点插入成功，修改modCount值++modCount;//如果达到扩容条件，直接扩容if (++size > threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null;
}

1.2.3 扩容方法（非常重要）

final Node<K,V>[] resize() {//当前的数组Node<K,V>[] oldTab = table;//当前的数组大小和阈值int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;int oldThr = threshold;//对新数组大小和阈值初始化int newCap, newThr = 0;//若当前数组非空if (oldCap > 0) {//若当前数组超过容量最大值，返回原数组不扩容if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}//若当前数组低于阈值，直接在数组容量范围内扩大两倍else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr = oldThr << 1; // double threshold}//数组为空，且大于最小容量（数组初始化过）else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in thresholdnewCap = oldThr;//数组为空，且没有初始化else {               // zero initial threshold signifies using defaults//初始化数组newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}//数组为空，且新的阈值为0if (newThr == 0) {//求出新的阈值（新数组容量*加载因子）float ft = (float)newCap * loadFactor;//判断新阈值是否越界，并做相应的赋值newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft : Integer.MAX_VALUE);}//阈值更新threshold = newThr;@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})//构建新的数组并赋值Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];table = newTab;//若之前数组非空，将数据复制到新数组中if (oldTab != null) {//循环之前数组，将非空元素复制到新数组中for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;//若循环到该节点是最后一个非空节点，直接赋值if (e.next == null)newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//若发现该节点是树节点else if (e instanceof TreeNode)((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);//若该节点后是链表else { // preserve order//定义现有数组的位置low,扩容后的位置high;high = low + oldCapNode<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {next = e.next;/*通过（e.hash & oldCap）来确定元素是否需要移动，e.hash & oldCap大于0，说明位置需要作相应的调整。反之等于0时说明在该容量范围内，下标位置不变。*/if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}else {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);//低位下标位置不变if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}//处于高位位置要改变为j + oldCapif (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}}return newTab;
}

HashMap实际上是线程不安全的，在JDK1.7中，链表的插入方式为头插法，在多线程下插入可能会导致死循环。因此在JDK1.8中替换成尾插法（其实想要线程安全大可用ConcurrentHashMap、Hashtable）

//JDK1.7源码
void transfer(Entry[] newTable boolean rehash) {int newCapacity = newTable.length;for (Entry<K,V> e : table) {while(null != e) {//多线程在这里会导致指向成环Entry<K,V> next = e.next;if(rehash) {e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);}int i = indexFor(e.hash, new Capacity);e.next = newTable[i];newTable[i] = e;e = next;}}
}

假如HashMap的容量为2，其中在数组中有一个元素a(此时已经到达扩容的临界点)。创建两个线程t1、t2分别插入b、c，因为没有锁，两个线程都进行到扩容这一步，那么其中有节点位子因为扩容必然会发生变化（以前的容量不够），这个时候假设t1线程成功运行，插入成功。但是由于t2线程的合并，加上节点位置的挪动，就会造成链表成环。最后读取失败

1.2.4 删除方法

//通过key值删除该节点，并返回value
public V remove(Object key) {Node<K,V> e;return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ? null : e.value;
}
//删除某个节点
//若matchValue为true时，需要key和value都要相等才能删除；若movable为false时，删除节点时不移动其他节点
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,boolean matchValue, boolean movable) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;//若数组非空if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {//设node为删除点Node<K,V> node = null, e; K k; V v;//查到头节点为所要删除的点，直接赋于nodeif (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))node = p;//否则遍历else if ((e = p.next) != null) {//当节点为树节点if (p instanceof TreeNode)node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);//节点为链表时else {do {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key ||(key != null && key.equals(k)))) {node = e;break;}p = e;} while ((e = e.next) != null);}}//对取回的node节点进行处理，当matchValue为false，或者value相等时if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||(value != null && value.equals(v)))) {if (node instanceof TreeNode) //为树节点((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);else if (node == p) //为链表头结点tab[index] = node.next;else //为链表中部节点p.next = node.next;//修改modCount和size++modCount;--size;afterNodeRemoval(node);return node;}}return null;
}

2.一些面试题

2.1 JDK1.8 HashMap扩容时做了哪些优化

新元素下标方面，1.8通过高位运算(e.hash & oldCap) == 0分类处理表中的元素：低位不变，高位原下标+原数组长度；而不是像1.7中计算每一个元素下标。
在resize（）函数中，1.8将1.7中的头插逆序变成尾插顺序。但是仍然建议在多线程下不要用HashMap。

2.2 HashMap与Hashtable的区别

线程安全：Hashtable是线程安全的，不允许key,value为null。
继承父类：Hashtable是Dictionary类的子类（Dictionary类已经被废弃)，两者都实现了Map接口。
扩容：Hashtable默认容量为11，扩容为原来的容量2倍+1，所以Hashtable获取下标直接用模运算符%。
存储方式：Hashtable中出现冲突后，只有用链表方式存储。

2.3 HashMap线程不安全，那么有哪些Map可以实现线程安全

Hashtable: 直接在方法上加synchronized关键字，锁住整个哈希桶
ConcurrentHashMap：使用分段锁，相比于Hashtable性能更高
Collectons.synchronizedMap：是使用Collections集合工具的内部类，通过传入Map封装一个SynchronizedMap对象，内部定义一个对象锁，方法通过对象锁实现。

参考博文：

HashMap 底层实现原理是什么？JDK8 做了哪些优化？

一个HashMap跟面试官扯了半个小时