HashMap内部存取原理详解

Java开发中，我们开发者比较普遍使用的集合类：HashMap。它继承了abstractMap并且实现了Map接口，内部是基于哈希表实现了键值对的存储。它的put/get方法虽然很容易，但部分同学可能没有关注过HashMap内部是怎么实现的，原理又是什么，下面就给大家好好介绍一下HashMap的实现原理。

先来了解一下HashMap相关的几个参数：

initialCapacity：初始总容量。指的是HashMap初始化时的大小。可以人为的在构造方法中指定，要求必须是2的幂次方，缺省默认为16.
size：当前HashMap中已经存储的键值对的数量，即：HashMap.size()
loadFactor：加载因子，加载因子=size/总容量，当实际的计算结果（size/总容量）达到这个值得时候，HashMap会实施扩容。加载因子也可以人为的在构造方法中指定，缺省的话默认0.75，假设按HashMap初始容量为16计算，那么扩容的阈值就是：0.75*16=12.也就是说，入第13个值得时候，HashMap会先进行扩容，扩容大小为当前总容量的2倍。。
threshold：扩容的阈值。也即是：扩容阈值=加载因子*总容量。当当前HashMap的键值对个数超过当前阈值时，HashMap会进行扩容，扩容大小为当前总容量的2倍。
table：Entry数组。HashMap是通过数组+链表的结构组成的，每个数组节点存储的元素是一个Entry类，Entry类中包含三个数据域：key（键），value（值），next（指向下一个Entry）。而table就是Entry数组。

在Java1.7中，HashMap的实现方法时数组+链表的形式，寻址容易，插入和删除也容易，如下图所示，左边的table是数组，而数组中的每个元素又是链表的第一个节点。

源码分析：

   /** 默认的构造方法使用的都是默认的初始容量和加载因子
    * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16
    * DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75
    */ 
//对初始容量的值判断
if (initialCapacity < 0)
    throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +initialCapacity);
//初始容量大于最大容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
    initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
    throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +loadFactor);
// 设置加载因子
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
// 空方法
init();
//HashMap 的所有构造方法最后都会去调用 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
//在其内部去设置初始容量和加载因子。而最后的 init() 是空方法。

put(key,value)方法：

public V put(K key, V value) {
        // 如果 table 数组为空时先创建数组，并且设置扩容阀值
        if (table == EMPTY_TABLE) {inflateTable(threshold);}
        // 如果 key 为空时，调用 putForNullKey 方法特殊处理
        if (key == null) return putForNullKey(value);
        // 计算 key 的哈希值,即 hashCode()值
        int hash = hash(key);
        // 根据计算出来的哈希值和当前数组的长度计算在数组中的索引，即hash%tableLength
        int i = indexFor(hash, table.length);
        // 先遍历该数组索引下的整条链表
        // 如果该 key 之前已经在 HashMap 中存储了的话，直接替换对应的 value 值即可
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        // 如果该 key 之前没有被存储过，那么就进入 addEntry 方法
        addEntry(hash, key, value, i); return null;

    }

如果 table 数组为空时先创建数组，并且设置相关的加载因子，和扩容阈值；
如果 key 为空时，调用 putForNullKey 方法特殊处理；
计算 key 的哈希值；
根据 key 的哈希值和当前数组的长度来计算得到该 key 在数组中的索引，其实索引最后的值就等于 hash%table.length ；
遍历该数组索引下的整条链表，如果之前已经有一样的 key ，那么直接覆盖 value ；
如果该 key 之前没有，那么就进入 addEntry 方法。下面就来看一下 addEntry 方法。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 
        // 当前容量大于或等于扩容阀值的时候，会执行扩容
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { 
            // 扩容为原来容量的两倍
            resize(2 * table.length); 
            // 重新计算哈希值
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0; 
            // 重新得到在新数组中的索引
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);} 
            // 创建节点
            createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

如果当前 HashMap 的存储容量到达阀值的时候，会去进行resize(int newCapacity)扩容；在 createEntry 方法中增加新的节点。我们先去 resize 方法中看看是怎么扩容的。

void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE; 
            return;
        }
        // 创建新的 entry 数组Entry[]
        newTable = new Entry[newCapacity];
        // 将旧 entry 数组中的数据复制到新 entry 数组中
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        // 将新数组的引用赋给
        table table = newTable;
        // 计算新的扩容阀值
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

根据代码可以知道，扩容就是创建了一个新的数组，然后把数据全部复制过去，再把新数组的引用赋给 table 。

剩下的还有一个 createEntry 方法。

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
       // 当前 HashMap 的容量加 1
        size++;
    }

创建节点的方法中，如果发现 e 是空的，之前没有存值，那么直接把值存进去就行了；如果是之前 e 有值的，即发生 hash 碰撞的情况，就以单链表头插入的方式存储。

get(key)方法：

public V get(Object key) { 
        // 如果 key 是空的，就调用 getForNullKey 方法特殊处理
        if (key == null) return getForNullKey(); 
        // 获取 key 相对应的 entry
        Entry<K,V> entry = getEntry(key); 
        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }
 final Entry<K,V> getEntry(Object key) { 
        if (size == 0) { return null;} 
        // 计算 key 的哈希值
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); 
        // 得到数组的索引，然后遍历链表，查看是否有相同 key 的 Entry
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null;e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
                return e;
        } 
        // 没有的话，返回 null
        return null;
    }

其实很简单，就是找到对应 key 的数组索引，然后遍历链表查找即可。

HashMap中，1.7和1.8的区别如下：
在 Java 1.8 中，如果链表的长度超过了 8 ，那么链表将转化为红黑树；
发生 hash 碰撞时，Java 1.7 会在链表头部插入，而 Java 1.8 会在链表尾部插入；
在 Java 1.8 中，Entry 被 Node 代替

HashMap内部存取原理详解

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