概述

数据结构

方法分析

2.1 put（）

2.2 addEntry()

2.3 get（）

2.4 remove（）

疑问解答

扩容原理

3.1 HashMap的容量与性能

3.1.1 Initial Capacity与Load Factor

3.2 HashMap的扩容

3.2.1 扩容是什么

3.2.2 扩容的步骤

3.3 什么时候触发扩容？

3.3.1 JDK7中的扩容机制

3.3.2 JDK8的扩容机制

3.3.3 JDK7的元素迁移

3.3.4 JDK8的元素迁移

3.4 总结

概述

HashMap基于Map接口实现，元素以键值对的方式存储，并且允许使用nul键和null值，因为key不允许重复，因此只能有一个键为null,另外HashMap不能保证放入元素的顺序，它是无序的，和放入的顺序并不能相同。HashMap是线程不安全的。

数据结构

HashMap底层是以数组+链表方式进行存储，通过对key的hash计算和数组长度得到value在数组中存储的位置（index = hash值 & （length - 1））。当不同的key的hash值相同时，对应数组的位置将生成一个链表来储存相同hash的value值（在JDK 1.8之前，新插入的元素都是放在了链表的头部位置，但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁，所以JDK 1.8之后，新插入的元素都放在了链表的尾部，并且链表长度超过8时会转化为红黑树存储）。

HashMap总体存储结构如下图所示。

方法分析

2.1 put（）

在该方法中，添加键值对时，首先进行table是否初始化的判断，如果没有进行初始化（分配空间，Entry[]数组的长度）。然后进行key是否为null的判断，如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置，判断该位置上是否已有元素，如果已经有元素存在，则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。判断key是否存在，如果key已经存在，则用新的value值，替换点旧的value值，并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中，程序继续向下执行。将key-vlaue, 生成Entry实体，调用addEntry()方法，添加到HashMap中的Entry[]数组中。

2.2 addEntry()

添加方法的具体操作，在添加之前先进行容量的判断，如果当前容量达到了阈值，并且需要存储到Entry[]数组中，先进行扩容操作，扩充的容量为table长度的2倍。重新计算hash值，和数组存储的位置，扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。

2.3 get（）

在get方法中，首先计算hash值，然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置，得到该位置的单链表，遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry，返回entry.value值。

2.4 remove（）

删除操作，先计算指定key的hash值，然后计算出table中的存储位置，判断当前位置是否Entry实体存在，如果没有直接返回，若当前位置有Entry实体存在，则开始遍历列表。定义了三个Entry引用，分别为pre, e ,next。在循环遍历的过程中，首先判断pre 和 e 是否相等，若相等表明，table的当前位置只有一个元素，直接将table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的连接关系，判断e的key是否和指定的key 相等，若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

疑问解答

“如果两个key的hashcode相同，你如何获取值对象？”答案：当我们调用get(key)方法，HashMap会使用key的hashcode值，找到bucket位置，然后获取值对象。

“如果有两个值对象，储存在同一个bucket ？”答案：将会遍历链表直到找到值对象。

“这时会问因为你并没有值对象去比较，你是如何确定确定找到值对象的？”答案：找到bucket位置之后，会调用keys.equals()方法，去找到链表中正确的节点，最终找到要找的值对象。

HashMap的线程是不安全的，多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

扩容原理

3.1 HashMap的容量与性能

HashMap的性能受到两个参数的影响：初始化容量和负载因子，下面来详细讲述这几个关键问题。

3.1.1 Initial Capacity与Load Factor

Initial Capacity：

初始化容量，它表示HashMap底层的那个数组，也就是Entry数组有多长，这个值默认是16。
Load Factor：

负载因子，它表示HashMap的负载程度，换句话说，它表示HashMap到底有多满了，是不是需要扩容了，这个值默认是0.75f。

初始化容量和负载因子的默认值是Java官方经过实践和优化得到的数据，可以适应大多数的场景。

当然也可以不使用其默认值，可以在构造的时候，自定义HashMap的容量和负载因子：

//单纯指定容量
Map<String,String> hashMapWithCapacity=new HashMap<>(64);
//自定义容量和负载因子
Map<String,String> hashMapWithCapacityAndLF=new HashMap<>(64, 0.9f);

一旦需要自定义容量和负载因子，我们需要搞清楚，他们到底是什么，用来干嘛，会对性能造成什么影响。

一句话：这两个数值会影响到HashMap的扩容，而扩容是一个对性能影响非常大的操作。

3.2 HashMap的扩容

3.2.1 扩容是什么

HashMap的扩容：HashMap被初始化之后，其容量是有限的（可以是默认，也可以是自定义的），当元素不断被插入，是HashMap达到一定的程度（负载因子决定），这个时候，HashMap就会扩容。

根据源码，使用公式表示，是否扩容由容量和负载因子的乘积决定！！！！

触发扩容的条件：
HashMap.Size   >=  Capacity * LoadFactor

HashMap.Size：当前HashMap的实际元素个数
Capacity：容量
LoadFactor：负载因子
如果在默认值的条件下：

HashMap.Size   =  16 * 0.75 = 12

也就是，默认的情况下，插入十二个元素的时候，就会触发扩容。

3.2.2 扩容的步骤

一旦HashMap的size超过了Capacity * LoadFactor乘积，就会触发扩容，那如何扩容呢？，需要经过两步：

resize：即：创建一个new Entry数组，长度是原来old Entry的2倍。
rehash：遍历old Entry数组，把里面的每一个元素取出来重新计算hash和index。为什么要重新计算呢？想一想之前的index计算公式：

index =  hash值 & （length - 1）

对，因为长度已经改了，所以index肯定会不一样，举个例子：

当原数组长度为16时，Hash运算是和1111做与运算；
新数组长度为32，Hash运算是和11111做与运算。
Hash结果显然不同。

3.3 什么时候触发扩容？

一般情况下，当元素数量超过阈值时便会触发扩容。每次扩容的容量都是之前容量的2倍。

HashMap的容量是有上限的，必须小于1<<30，即1073741824。如果容量超出了这个数，则不再增长，且阈值会被设置为Integer.MAX_VALUE（2的31一次方 - 1）。

3.3.1 JDK7中的扩容机制

JDK7的扩容机制相对简单，有以下特性：

空参数的构造函数：以默认容量、默认负载因子、默认阈值初始化数组。内部数组是空数组。
有参构造函数：根据参数确定容量、负载因子、阈值等。
第一次put时会初始化数组，其容量变为不小于指定容量的2的幂数。然后根据负载因子确定阈值。
如果不是第一次扩容，则 新容量=旧容量*2，新阈值=新容量*负载因子。

3.3.2 JDK8的扩容机制

JDK8的扩容做了许多调整。

HashMap的容量变化通常存在以下几种情况：

空参数的构造函数：实例化的HashMap默认内部数组是null，即没有实例化。第一次调用put方法时，则会开始第一次初始化扩容，长度为16。
有参构造函数：用于指定容量。会根据指定的正整数找到不小于指定容量的2的幂数，将这个数设置赋值给阈值（threshold）。第一次调用put方法时，会将阈值赋值给容量，然后让阈值=容量*负载因子 。（因此并不是我们手动指定了容量就一定不会触发扩容，超过阈值后一样会扩容！！）
如果不是第一次扩容，则容量变为原来的2倍，阈值也变为原来的2倍。（容量和阈值都变为原来的2倍时，负载因子还是不变）

此外还有几个细节需要注意：

首次put时，先会触发扩容（算是初始化），然后存入数据，然后判断是否需要扩容；
不是首次put，则不再初始化，直接存入数据，然后判断是否需要扩容；

3.3.3 JDK7的元素迁移

JDK7中，HashMap的内部数据保存的都是链表。因此逻辑相对简单：在准备好新的数组后，map会遍历数组的每个“桶”，然后遍历桶中的每个Entity，重新计算其hash值（也有可能不计算），找到新数组中的对应位置，以头插法插入新的链表。

这里有几个注意点：

是否要重新计算hash值的条件这里不深入讨论，读者可自行查阅源码。
因为是头插法，因此新旧链表的元素位置会发生转置现象。
元素迁移的过程中在多线程情境下有可能会触发死循环（无限进行链表反转）。

3.3.4 JDK8的元素迁移

JDK8则因为巧妙的设计，性能有了大大的提升：由于数组的容量是以2的幂次方扩容的，那么一个Entity在扩容时，新的位置要么在原位置，要么在原长度+原位置的位置。原因如下图：

数组长度变为原来的2倍，表现在二进制上就是多了一个高位参与数组下标确定。此时，一个元素通过hash转换坐标的方法计算后，恰好出现一个现象：最高位是0则坐标不变，最高位是1则坐标变为“10000+原坐标”，即“原长度+原坐标”。如下图：

（图片来源于文末的参考链接）

因此，在扩容时，不需要重新计算元素的hash了，只需要判断最高位是1还是0就好了。

JDK8的HashMap还有以下细节：

JDK8在迁移元素时是正序的，不会出现链表转置的发生。
如果某个桶内的元素超过8个，则会将链表转化成红黑树，加快数据查询效率。

3.4 总结

Initial Capacity设置高：大量存储，少量迭代
Initial Capacity设置低：数据少，迭代频繁

参考链接：

Java-HashMap工作原理及实现

HashMap 的实现原理

HashMap的扩容机制 - 知乎

hashmap扩容因子_Java初学者进阶系列：HashMap的容量与性能_轶笑嫣然的博客-CSDN博客

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2.2 addEntry()

2.3 get（）

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3.2.2 扩容的步骤

3.3 什么时候触发扩容？

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