在现在的互联网大厂面试中，HashMap几乎是必问的知识点。因此本文对HashMap进行系统性的总结，将HashMap常见的知识点都整理出来。
前面铺垫了两篇红黑树的文章，终于进入这篇HashMap了。如果有不知道什么是红黑树的同学，先去看一下我前面讲红黑树的文章。
本科数据结构课程的漏网之鱼-红黑树（上）
本科数据结构课程的漏网之鱼-红黑树（下）
简介
相信大家之前或多或少都接触过HashMap，这是一种用来存放键值对的数据结构。它实现了Map接口，是最常用的Java容器之一。在JDK7及之前版本中，HashMap实现方式都是通过数组+链表，而JDK8开始，HashMap底层通过数组+链表+红黑树的数据结构实现。下面就将开始详细介绍这部分内容。
底层数据结构
在JDK7及之前的版本中，HashMap都是通过数组+链表实现的，大致结构如下图。
然而这种数据结构有一定局限性，当某个链表特别长的话，搜索效率就大大降低，因此，JDK8中引入了红黑树，目的就是减少查找次数。当链表长度大于阈值（默认为8）时，就会转换成红黑树。
在JDK7中，插入结点都叫Entry，这结构就是散列表中常见的“拉链法”。而在JDK8中，结点变成了Node。
插入结点
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
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;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
上面是JDK8中截取的插入结点的核心源码，我们一步一步分解上面的源码。首先看到put方法里面对key进行了一次hash运算，传入到putVal中帮助计算下标值，接着往下看putVal方法。
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
tab是数组名，p是待插入结点，n是数组长度，这就很明朗了。如果是空数组，那么会进入这个判断语句中，此时tab被resize方法赋值后，取tab的长度给n。这里先不展开介绍resize方法，只需知道tab被赋的初始长度是16。接着往下看。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
上面这段代码就有意思了，重点在(n - 1) & hash。我们前面说到hash是通过hash(key)计算得到的，这里和n-1进行按位与运算实际上等同于hash % n。在HashMap中，数组的长度n一定是2的幂。以n=16为例，n-1的值就是15。我们随便写一个hash值与15进行按位与运算，如下图。
我们可以发现15的二进制只有后四位是1，前面全部都是0，进行按位与运算后的结果只与hash的后四位相关，前面全部都是0，也就验证了我们前面所说的(n - 1) & hash等效于hash % n，并由此计算出数组下标值i。很显然如果在数组中下表为i的位置为空，就创建一个新结点放入数组中。
继续往下看是一个else语句，也就是数组的下标i位置已经有值了，我们需要解决hash冲突。
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
上面这段代码描述了存入一个已存在的key值将会将原来的结点替换成新的结点。
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
这段代码是指如果当前这个下标的结点是红黑树结点，那么就按照红黑树的插入方式插入结点。
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;
}
}
还剩这一种情况就是当结点是链表结点时，顺着链表从头开始往后找，如果找到最后没有相同key值的结点，就将结点插到链表末尾，插入后大于等于8个结点，就把链表转成红黑树；如果在链表中找到了key相同的结点，就替换原来的结点。在JDK8中，插入链表的方式是采用尾插法，而在JDK7中是采用头插法。而在多线程环境下，头插法有可能会出现环形链表。
但是这并不意味着使用尾插法在多线程环境下就是安全的，因为put/get方法没有加同步锁，因此无法确保线程安全。
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
这段代码用于替换结点后返回原结点的值。
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
最后这段代码主要用于收尾，修改次数+1，如果键值对个数超过了阈值就进行扩容。
扩容机制
当HashMap中键值对个数超过了阈值时，就会启动扩容机制，而这里的所谓“阈值”指的就是数组长度与负载因子的乘积。扩容机制的核心源码是通过resize方法实现的，前面我们提到过这个方法，但是没有展开讲它的细节，我们这里讲一下具体的代码细节。
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) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
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);
}
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) {
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 { // 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;
}
else {
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;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
这段代码比之前的代码片段更长，我们还是一部分一部分地看。
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
这部分没什么好说的，oldTab就是扩容前的数组，oldCap和oldThr分别是扩容前的容量和扩容前的阈值，如果是之前没有存放过元素，那么这两个属性的初始值都是0，newCap和newThr是扩容后的数组长度和阈值。
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
这里就是扩容前数组容量大于0的情况下，如果扩容前的数组容量已经达到了最大限制，那么无法继续扩容，否则新数组容量是原来的两倍，若是扩容后的容量满足要求则阈值也变为原来的二倍。
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);
}
如果扩容前容量不大于0，而扩容前的阈值大于0，那么将新的容量设为旧的阈值。如果阈值和容量都不大于0（比如HashMap初始状态）那么将新的容量设置为16，新的阈值设置为12。
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
这里就是给新阈值赋值，也没什么好说的。
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
这段代码就是为扩容以后做准备了，申请一段新的内存空间，赋值给数组。
最后一部分的代码比较长，我们说一下基本思路。遍历扩容前的所有结点，并对其进行ReHash。为什么要进行ReHash呢？我们回顾一下算出插入位置的方法：(n - 1) & hash(key)。数组长度变了，那么插入的位置自然也就变了，因此我们需要进行ReHash。
其它
线程安全
HashMap是线程不安全的，尽管JDK8改进了之前JDK7在多线程环境下可能出现循环链表的问题，但这并不意味着HashMap就线程安全了。常见的替代HashMap的线程安全方案有HashTable和ConcurrentHashMap两种集合，但是HashTable在并发能力方面并不理想，因此使用很少。
负载因子
为什么开发人员要把默认负载因子设置为0.75呢？因为根据泊松分布，使用0.75作为负载因子，链表元素达到8个是极小的概率。