一. hashmap简介

HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

HashMap 继承于AbstractMap，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。

HashMap 的实现不是同步的，这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。此外，HashMap中的映射不是有序的。

HashMap 的实例有两个参数影响其性能：“初始容量” 和 “加载因子”。容量 是哈希表中桶的数量，初始容量 只是哈希表在创建时的容量。加载因子 是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。

通常，默认加载因子是 0.75, 这是在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。

二. hashmap数据结构

大概了解hashmap之后，知道了hashmap的键值对映射，知道了hashmap的线程不安全，知道了hashmap的put，get方法。觉得自己足够了解hashmap了吗？并不是，接着，让我们先去了解一下hashmap的底层数据结构。

首先，ArrayList和LinkedList的数据结构我们非常了解

ArrayList :

        ArrayList 底层数据结构是数组，查询效率比较高，增删效率比较低。

可以参照一下Arraylist的源码，可以看出Arraylist的数据结构为数组

 

public void add(int index, E element) {        rangeCheckForAdd(index);        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,                         size - index);        elementData[index] = element;        size++;    }

 

LinkedList:

 

LinkedList 底层数据是链表（双向链表），查询效率比较低，增删效率比较高。

源码验证：可以看出LinkedList为双向链表结构

1 private static class Node
     
       { 2         //数据 3         E item; 4         //后面数据 5         Node
      
        next; 6         //前面数据 7         Node
       
         prev; 8  9         Node(Node
        
          prev, E element, Node
         
           next) {10             this.item = element;11             this.next = next;12             this.prev = prev;13         }14     }
         
        
       
      
     

 

由此看来，ArrayList查询速度快，增删慢，LinkedList查询速度慢，增删快，那么，如果我们想查询速度快并且增删慢的话，将两种数据结构相结合，就是我们要讲的HashMap

HashMap : 数组  +  链表

 

在这样的数据结构中，如果我们想存放数据的话，除了map中一定要有的Key和Value，还要有指向下个单元的next，根据刚才数据结构的分析，可以猜想到Hashmap的存储单元应该是这样的：

Class Node{   Key;   Value;    Node next;  }

让我们带着我们的猜想去看一下HashMap的源码，果然，我们的猜想是正确的，源码如下

/**     * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for     * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)     * 　　　* 基本的hash存储单元 /    static class Node
     
       implements Map.Entry
      
        {        final int hash;        final K key;        V value;        Node
       
         next;        Node(int hash, K key, V value, Node
        
          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;        }    }
        
       
      
     

 大家看到源码中的变量，正如我们所猜想的一样，有Key、Value还有Node<K，V> next，然后我们发现还有一个变量int hash我们不太清楚，这个等下再提。

那么，在HashMap中，数组和链表究竟是怎样表示的？在源码中是如何体现的呢？我们接着去猜想验证。

 

1. 数组的表示

平时我们表示数组，如字符串数组，是String[]，整型数组是Integer[]，那在HashMap中，他的基本单元是node，那假如我们是HashMap的源码编写人员，那么我们可以写成

Node[] table;

table是我们随意取的变量值。接着，我们去源码中去看看在HashMap中数组是如何定义表示的：

/**     * 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.)     */    transient Node
     
      [] table;
     

果然和我们猜想的一样，在HashMap中的数组是以Node<K,V>[]表示的。（transient关键字是不进行序列化的意思）

2. 数组的大小是如何定义设置的呢

初始化大小：

/**     * The default initial capacity - MUST be a power of two.必须是2的n次幂     */    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

这里我们可以看到数组的初始化大小为 1 << 4 ，这里是个位运算，1 << 4 是 1000，转化为十进制是16(位运算更快一些)

最大容量：

/**     * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified     * by either of the constructors with arguments.     * MUST be a power of two <= 1<<30.     */    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

当数组的大小如果不够用了，就要进行扩容。但是并不是全部都用完了再去扩容，如果全部用完再去扩容的话，性能会下降，存取效率也会受到影响。在HashMap中，如果用了数组大小的0.75倍，也就是四分之三的容量之后，就需要扩容

 

/**     * The load factor used when none specified in constructor.     */    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

 

如数组大小定义为16,当超过12的时候，就要求去进行扩容，那么在HashMap中肯定会有一个值去记录目前占用的空间内存:

/**     * The number of key-value mappings contained in this map.     */    transient int size;

我们用size来记录目前占用的空间内存，大家看一下HashMap中最常用的put方法中有这么一串代码：

if (++size > threshold)            resize();

// (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;

这串代码的含义是什么呢？

每当我们往HashMap中put一个值后，size就会增加1，这个threshold我们通过英文注释可以了解到，这个变量就是我们之前说的那个要求扩容的临界值，是现有内存的0.75倍。当现在的内容超过这个临界值时，就需要进行扩容了。

 3.链表的长度是如何限制的呢？

让我们去源码中看一下在Hashmap中链表的长度是如何限制的呢？

 

/**     * 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.     */    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

 

在源码中我们可以看到HashMap链表的长度限制为8。但是，通过英文注释我们可以看到，当链表的长度并不是不能超过8，当长度大于8时，数据结构会变形，表现形式就变成了红黑树(JDK1.8之后)。

 

 三. 源码分析

基本的数据结构和Hashmap的设计思想我们已经大概了解了，现在我们要去正式的走近HashMap的源码了

HashMap最核心的代码肯定是我们经常用的put和get方法。

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.     *     * @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 key, or     *         null if there was no mapping for key.     *         (A null return can also indicate that the map     *         previously associated null with key.)     */    public V put(K key, V value) {        return putVal(hash(key), key, value, false, true);    }

在put方法中，key和value这两个参数我们已经了解了，那么，这个hash(key)是什么含义呢？

首先，我们要先考虑一个问题，每当一个node结点进入HashMap中时，究竟该放入哪里呢？

结论就是：这个key值通过这个hash函数过滤之后的数值就是存放位置的一个标识，让我们去看一下这个hash函数是如何实现的

static final int hash(Object key) {        int h;        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);    }

从这里我们可以看出，这个不仅仅是得到key的hashcode值那么简单，还做了一些操作，那么为什么要如此复杂的计算这个数值呢？

这是因为hashcode容易重复，不同的元素存储时容易处在同一个数组的下标位置，还有一个问题，这个hashcode值较大，容易出现数组越界的问题。 

这里将hashcode值与他本身向右位移了16位的值做了一个异或。总结一下就是：

hash函数就是将高16位和低16位做一个异或运算，然后得到一个结果来确定node节点的存放位置

作用：尽量让Node落点分布均匀，减少碰撞的一个概率，如果碰撞概率高了，就势必导致数组下标下的链表长度太长。

在这里，我们举个具体的数值去观察一下，一个Key的hashcode如果是3254239，他的高16位不变，与他的低16位做一个异或得到的值为3812。

那我们存放的位置就是table[3812]吗？，显然这个长度太大了，我们还是得去限制一下这个长度，保证这个数组下标的位置在我们定义的数组大小之内。

那么假如我们的数组大小为16的话，我们可以将3812对16取余

3812 % 16 < 16，我们发现，这样去做的话取到的数值一定会小于我们定义的数组大小。那么，在hashmap源码中是这样实现的吗？

 

n = (tab = resize()).length; if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

 

奇怪的是，我们设想的方式是取模，为什么源码中取了(n-1)和hash值的与运算呢？让我们去看一下他们的值是否是等价的。

按照源码中来说，这个数组下标就是 (16 - 1) & 3812 = 15 & 3812，

那么我们就要去证明  15 & 3812  ===  3812 % 16 这个是否成立

15用二进制表示是 001111， 那么不管3812的二进制数是什么，他们的与运算的值也永远不会超过15，就是>=15，我们发现这和我们的取模运算的结果是一样的，这是hashmap源码里一个比较精秒的地方。

 

那为什么要用这种方式呢？

因为与运算要比我们的取模运算速度快，效率高

我们再回过头看一串代码

 

/**     * The default initial capacity - MUST be a power of two.     */    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

 

在这里，为什么要一定强调 数组的大小必须是2的n次幂呢，让我们举个例子来看一下，如果数组的自定义初始化大小为15

那么 15 -1 = 14 ，14用二进制表示就是001110，那么与hash值做了与运算之后，得到的这个数值可能就会大于这个数组大小的规定值，还有就是不论hash值的这位数字是0还是1，得到的这个位数总会是0，那么结点的落点位置就很可能会重叠在一起，所以，这个数组的大小必须是2的n次幂。

那么，2的n次幂减1的二进制数的后几位一定是1吗？我们验证一下

16  15  01111

32  31  011111

64   63  0111111，没有问题

推出： 数组大小不够用了，我希望扩大数组的大小，也要 * 2。 

做了这么多的铺垫，接下来让我们完整的去看一下HashMap中的put方法

1     /** 2      * Implements Map.put and related methods 3      * 4      * @param hash hash for key 5      * @param key the key 6      * @param value the value to put 7      * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 8      * @param evict if false, the table is in creation mode. 9      * @return previous value, or null if none10      */11     final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,12                    boolean evict) {13         //定义几个局部变量供接下来使用14         Node
     
      [] tab; Node
      
        p; int n, i;15         //这里将全局变量table，也就是我们刚才说的数组形式，赋给了局部变量tab16         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)17         //如果数组的大小为空，就用resize方法来对数组进行初始化18             n = (tab = resize()).length;19         //计算节点的落点位置20         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)21             //如果为空则可以放置22             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);23         else {24             //如果数组该位置有节点，则往下压，为链表结构25             Node
       
         e; K k;26             //如果key的值是一样的，则保留老值27             if (p.hash == hash &&28                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))29                 e = p;30             else if (p instanceof TreeNode)31                 //如果发现下面的结构已经是一个二叉树的话，就用红黑树的方式去储存32                 e = ((TreeNode
        
         )p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);33             else {34                 //遍历链表35                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {36                     if ((e = p.next) == null) {37                         //如果下一个节点为空，则可以放置38                         p.next = newNode(hash, key, value, null);39                         //如果放置之后正好为8的话，要进行链表向红黑树转化的过程40                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st41                             treeifyBin(tab, hash);42                         break;43                     }44                     if (e.hash == hash &&45                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))46                         break;47                     p = e;48                 }49             }50             if (e != null) { // existing mapping for key51                 //key值重复的话，保留老的值52                 V oldValue = e.value;53                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)54                     e.value = value;55                 afterNodeAccess(e);56                 return oldValue;57             }58         }59         ++modCount;60         //判断数组的大小是否超过了一个阈值，0.75倍的值61         if (++size > threshold)62         //超过大小后重新初始化   63             resize();64         afterNodeInsertion(evict);65         return null;66     }
        
       
      
     

我们发现这个resize()方法调用了两次，他的作用是：

1.数组的初始化

2.数组的扩容

源码分析：resize()

/**     * 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.     *     * @return the table     */    final Node
     
      [] resize() {        //定义数组        Node
      
       [] oldTab = table;        //如果数组存在，oldCap代表数组的长度        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;        int oldThr = threshold;        int newCap, newThr = 0;        if (oldCap > 0) {        //如果数组的大小大于0            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {                //如果数组的大小大于最大值，不需要扩容                threshold = Integer.MAX_VALUE;                return oldTab;            }            //进行扩容，位运算，相当于乘以2            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)                //相应的临界值（阈值）也要乘2                newThr = oldThr << 1; // double threshold        }        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold            newCap = oldThr;        else {               // zero initial threshold signifies using defaults            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;            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
       
        [] newTab = (Node
        
         [])new Node[newCap];       //扩容之后要把原来的部分数据移到扩容的部分        table = newTab;        if (oldTab != null) {            //遍历之前的节点            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {                Node
         
           e;                if ((e = oldTab[j]) != null) {                 //如果该节点不为空，则将他置为空                    oldTab[j] = null;                 //判断下面的节点是否为空                    if (e.next == null)                      //计算新的落点                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;                    else if (e instanceof TreeNode)                        //如果下面是红黑树                        ((TreeNode
          
           )e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order //如果是链表 Node
           
             loHead = null, loTail = null; Node
            
              hiHead = null, hiTail = null; Node
             
               next; //判断链表的下一个是否为空 do { next = e.next; if ((e.hash & oldCap) == 0) { //省去了e.hash和oldcap-1 的与操作，如果为0，则hash的第5位是0，则不需要去移动 if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else { //如果需要移动的话 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; //链表的移动就是自己所处的位 置加上原来老的容量 } } } } } return newTab; }
             
            
           
          
         
        
       
      
     

接着，我们去看了看get方法的源码，发现和put方法大同小异，也是通过key去找到对应的节点，然后根据数组或者红黑树这些结构去判断，然后获取节点的key和value。

分享阿里的一个hashmap的面试题：

通过hashmap的初步了解，到hashmap数据结构的分析，到源码的透彻分析，相信你们对hashmap已经有了充分的了解。