一.HashMap的内部属性
1.1 成员变量
1.1.1 size：
HashMap包含的KV键值对的数量，也就是我们通常调用Map.size()方法的返回值
public int size() { return size; }
1.1.2 modCount
HashMap的结构被修改的次数（包括KV映射数量和内部结构rehash次数），用于判断迭代器梳理中不一致的快速失败。
abstract class HashIterator { ... final Node<K,V> nextNode() { Node<K,V>[] t; Node<K,V> e = next; if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); if (e == null) throw new NoSuchElementException(); if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) { do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null); } return e; } ... }
1.1.3 threshold
下一次扩容时的阈值，达到阈值便会触发扩容机制resize（阈值 threshold = 容器容量 capacity * 负载因子 load factor）。也就是说，在容器定义好容量之后，负载因子越大，所能容纳的键值对元素个数就越多。计算方法如下：
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 >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
1.1.4 loadFactor
负载因子，默认是0.75
1.1.5 Node<K,V>[] table
底层数组，充当哈希表的作用，用于存储对应hash位置的元素，数组长度总是2的N次幂
1.2 内部类
1.2.1 Node<K,V>
/** * 定义HashMap存储元素结点的底层实现 */ static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash;//元素的哈希值 由final修饰可知，当hash的值确定后，就不能再修改 final K key;// 键，由final修饰可知，当key的值确定后，就不能再修改 V value; // 值 Node<K,V> next; // 记录下一个元素结点(单链表结构，用于解决hash冲突) /** * Node结点构造方法 */ Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { this.hash = hash;//元素的哈希值 this.key = key;// 键 this.value = value; // 值 this.next = next;// 记录下一个元素结点 } public final K getKey() { return key; } public final V getValue() { return value; } public final String toString() { return key + "=" + value; } /** * 为Node重写hashCode方法，值为：key的hashCode 异或 value的hashCode * 运算作用就是将2个hashCode的二进制中，同一位置相同的值为0，不同的为1。 */ public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); } /** * 修改某一元素的值 */ public final V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue; return oldValue; } /** * 为Node重写equals方法 */ 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; } }
1.2.2 TreeNode<K,V>
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { //与left、right联合使用实现树结构 TreeNode<K,V> parent; TreeNode<K,V> left; TreeNode<K,V> right; // needed to unlink next upon deletion TreeNode<K,V> prev; //记录树节点颜色 boolean red; /** * 操作方法 * 包括：树化、链栈化、增删查节点、根节点变更、树旋转、插入/删除节点后平衡红黑树 */ ... }
1.3 Key的hash算法
Key的hash算法源码如下：
static final int hash(Object key) { int h; ///key.hashCode()为哈希算法，返回初始哈希值 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
因为HashMap中是允许key 为null的键值对，所以先判断了key == null。当key 不为null的时候，hash算法是先通过key.hashCode()计算出一个hash值再与改hash值的高16位做异或运算（有关异或运算请移步：java运算符 与（&）、非（~）、或（|）、异或（^）） 上面的key.hashCode()已经计算出来了一个hash散列值，可以直接拿来用了，为何还要做一个异或运算？ 是为了对key的hashCode进行扰动计算（），防止不同hashCode的高位不同但低位相同导致的hash冲突。简单点说，就是为了把高位的特征和低位的特征组合起来，降低哈希冲突的概率，也就是说，尽量做到任何一位的变化都能对最终得到的结果产生影响
二. HashMap的初始化
HashMap的初始化有以下四种方法：
- HashMap()
- HashMap(int initialCapacity)
- HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
- HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)
方法1的源码如下：
public HashMap() { //使用默认的DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }
其中的方法2本质上都是调用了方法3。initialCapacity是初始化HashMap的容量，loadFactor是在1.1.4中提到的负载因子。 方法3的源码注释如下：
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); }
方法4源码注释如下：
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); } /** * Implements Map.putAll and Map constructor * * @param m 要初始化的map * @param evict 初始化构造map时为false，其他情况为true */ final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { int s = m.size(); //判断当前m容量 if (s > 0) { // 初始化 if (table == null) { //ft按照默认加载因子计算ft=s/0.75 +1计算出来 float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } else if (s > threshold) //s大于threshlod，需要扩容 resize(); //遍历m，并通过putVal初始化数据 for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { K key = e.getKey(); V value = e.getValue(); putVal(hash(key), key, value, false, evict); } } }
三. put过程
3.1 put的正常调用过程
put方法是HashMap的增加KV对的入口，putVal方法是具体实现，整个过程的大致流程如下：
- 对key的hashCode()做hash，然后再计算index;
- 如果没碰撞直接放到bucket里；
- 如果碰撞了，以链表的形式存在buckets后；
- 如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD)，就把链表转换成红黑树；
- 如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
- 如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); }
3.2 put过程剖析
putVal方法的源码解析如下：
/** * Implements Map.put and related methods * * @param hash key的hash值 * @param key the key * @param value the value to put * @param onlyIfAbsent 为true不修改已经存在的值 * @param evict 为false表示创建 * @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; //table为空则创建 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //根据hash值计算出index,并校验当前tab中index的值是否存在 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //当前tab中index的值为空，则直接插入到tab中 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { //当前tab节点已经存在hash相同的值 Node<K,V> e; K k; //分别比较hash值和key值相等，就直接替换现有的节点 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; else if (p instanceof TreeNode) //当前节点已经树化 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } //把初始化的节点写入 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //判断是否需要resize扩容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
四. 扩容
4.1 什么条件下会扩容
当向容器添加元素的时候，会判断当前容器的元素个数，如果大于等于threshold阈值（即当前数组的长度乘以加载因子的值的时候），就要自动扩容了。
4.2 如何扩容
HashMap的扩容是调用了resize方法（初始化的时候也会调用），扩容是按照两倍的大小进行的，源码如下：
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; //取出tabble的大小 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; //当map不为空的时候 if (oldCap > 0) { //map已经大于最大MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) //向左位移1，扩大两倍 newThr = oldThr << 1; // double threshold } //也就是HashMap初始化是调用了HashMap(initialCapacity)或者HashMap(initialCapacity,loadFactor)构造方法 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; //使用的是HashMap()构造方法 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<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; if (oldTab != null) { //当map不为空，需要赋值原有map中的数据到新table中 ... } return newTab; }
从源码中可以看出，resize扩容是一个非常消耗性能的操作，所以在我们可以预知HashMap大小的情况下，预设的大小能够避免resize，也就能有效的提高HashMap的性能。
五. 树化与链表化
5.1 什么条件下会树化
当binCount达到阈值TREEIFY_THRESHOLD - 1的时候就会发生树化（TREEIFY_THRESHOLD = 8），也就是binCount>=7的时候就会进入到treeifyBin方法，但只有当大于MIN_TREEIFY_CAPACITY（= 64）才会触发treeify树化
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash);
5.2 树化算法
算法
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) { int n, index; Node<K,V> e; if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) resize(); // 通过hash求出bucket的位置 else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { TreeNode<K,V> hd = null, tl = null; do { // 将Node节点包装成TreeNode TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null); if (tl == null) hd = p; else { p.prev = tl; tl.next = p; } tl = p; } while ((e = e.next) != null); if ((tab[index] = hd) != null) // 对TreeNode链表进行树化 hd.treeify(tab); } } final void treeify(Node<K,V>[] tab) { TreeNode<K,V> root = null; //遍历TreeNode for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) { //next向前 next = (TreeNode<K,V>)x.next; x.left = x.right = null; //当根节点为空，就赋值 if (root == null) { x.parent = null; x.red = false; root = x; } else { //root存在，就自顶向下遍历 ... } moveRootToFront(tab, root); }
六. get过程
get方法相对于put要简单一些，源码如下：
public V get(Object key) { Node<K,V> e; //根据key取hash，算法与put中一样 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; //1. 判断table不为空 //2. table长度大于0 //3. 与put方法一样计算tab的索引，并判断是否为空 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { //比较第一个节点的hash和key是都都相等 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { //红黑树：直接调用getTreeNode() if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); do { //链表：通过.next() 循环获取 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
六. 常见问题
5.1 并发常见下CPU100%问题
Hash并非是线程安全的，在并发场景下，错误的使用HashMap可能会出现CPU100%的问题 曾今有人在JDK1.4版本中的HashMap中提出过这样一个bug，官方也给出了答复“并非java或jvm的bug，而是使用不当”，当时所提出的地址是：JDK-6423457 : (coll) High cpu usage in HashMap.get() 左耳朵耗子前辈也做过分享：疫苗：JAVA HASHMAP的死循环
