引言
本文主要借助jdk1.8中HashMap的源码，对HashMap的原理进行了详细的阐述。同时探讨HashMap线程不安全的原因。在Java面试的时候，我们也会经常遇到和HashMap相关的问题，所以对于HashMap的深入理解无论在应对面试还是在实际开发中都非常有必要。
说明：本文讨论的是JDK1.8中HashMap的源码实现。
- HashMap类结构
- HashMap源码分析
- HashMap线程不安全性
1.HashMap类结构
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { ... }
以上是HashMap源码中的类结构,它实现了Map<K,V>接口同时继承了AbstractMap<K,V>，AbstractMap<K,V>也实现了Map<K,V>这个接口。它的类结构图如下图所示。
2.HashMap源码分析
HashMap具体如下面源码所示。以下为HashMap中的属性值的说明。
//默认容量大小 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 //最大容量 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //默认负载因子 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //链表阈值，超过该阈值转化为红黑树 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; //由树转换成链表的阈值 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //在转变成树之前，还会有一次判断，只有键值对数量大于 64 才会发生转换。这是为了避免在哈希表建立初期，多个键值对恰好被放入了同一个链表中而导致不必要的转化 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
以下为HashMap中的Node的源码，由源码可知，Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; //用于定位数组索引位置 final K key; //键值 V value; Node<K,V> next; //链表下一个节点 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; } 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; } }
下图直观展示了HashMap在put操作过程中的数据机构的变化。由图可知，当发生hash碰撞时，会将新的节点追加到数组中，同时形成链表结构。当链表的大小超过8个时，为了提高查询效率，链表将转化为红黑树结构。利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能，其中会用到红黑树的插入、删除、查找等算法。
HashMap中put操作的源码
public V put(K key, V value) { //调用putVal方法，对key的hashCode做hash操作 return putVal(hash(key), key, value, false, true); }
计算key的hash值，获取数组的索引。第一步获取hashCode值，再进行高位与运算，减少hash碰撞的几率。
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
下面是HashMap中具体的插入操作，我们来分析一下具体的处理流程。
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tab为空则创建 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //计算index if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k; //如果节点key存在，直接覆盖value if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //判断链表是否为红黑树 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); //如果为链表 else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); //如果链表的大小大于8，则转化为红黑树 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } //key存在，则进行直接覆盖 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //超过容量则进行扩容操作 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; }
3.HashMap线程不安全性
我们都知道HashMap是线程不安全的，但是到底它具体哪个地方的操作会导致线程不安全。我们接下来具体分析一下，在多线程场景下，HashMap如何线程不安全。
从JDK1.8开始，HashMap的底层数据结构为Node<K,V>数组，即transient Node<K,V>[] table;。当发生hash碰撞时，数据 会被追加到该Node<K,V>节点的链表中。冲突节点从链表头部插入，这样插入新entry时不需要遍历链表，时间复杂度为O(1)。
（1）在多线程场景下，如果同时有多个线程执行put操作，此时会有问题。我们从源码中可以得知，在put操作里面并没有进行加锁或者同步操作控制。这样会导致后面进行put操作的线程将前面执行完操作的数据覆盖掉。
（2）另外一点，我们可以发现resize()方法也没有进行同步操作。在默认的情况下，HashMap的容量为16，负载因子为0.75，也就是阈值为12，当阈值到达12时，它将自动进行扩容为原来的两倍。
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { //超过最大值则只能任其碰撞了 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } //没有超过最大值，则扩容为原来的两倍 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) 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); } //计算新的resize上限 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) { //将bucket都移动到新的buckets中 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { //链表优化重hash // preserve order Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do { next = e.next; if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } //原来的索引 else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); //原索引放到bucket里 if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } //原索引+oldCap放到bucket里 if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
（3） HashMap高并发情况下形成的链表循环，导致CPU飙升。
为了避免HashMap的线程不安全性，我们可以再高并发场景下选用ConcurrentHashMap来进行替代。
