Java - HashMap

原理

1. HashMap的实现用到了数组、链表、红黑树（二叉查找树）:最外层是Node数组，数组的某一位置可能是单个节点，也可能是链表或红黑树，由这个哈希索引对应的元素多少而定。
2. 键值对在数组中的位置根据hashcode运算得到
   1. 高位与低位异或
   2. 对数组容量求余（位运算&实现，因数组容量总是2的幂）
3. 数组容量随键值对的实际数量扩增

put方法

1. put方法用于添加键值对

2. 数组为null时，调用resize创建初始容量的数组，初始容量为16

3. 找到key的哈希索引位置后，比较key可hash值，和Equal方法，判断key是否已存在

   • 不存在将键值对放入对应位置
   • 已存在更新原有值。

4. 索引对应位置，有多个元素时，以链表形式保存，内部类Node有next属性；当元素超过一定数量时，改为红黑树存储，节点类型为TreeNode。TreeNode继承自Node的子类LinkedHashMap.Entry<K,V>。

5. 改变modCount属性、size属性，size大于阈值threshold时，调用resize方法，扩大容量。threshold有数组容量和负载因子决定，一般为数组容量的75%。

6. 返回值：

   • 若key已存在，返回旧值
   • 若key不存在，返回null

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
   
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;
}

resize方法

1. 数组为null时，创建初始容量的数组，初始容量为16
2. 扩大数组容量（创建更大容量的新数组），一次扩大2倍，最大为2的30次方
3. 扩大容量后，对原有键值对，重新计算索引，移动位置。

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;
}

特点

1. 查找效率很高，时间复杂度近似于1
2. 添加效率低不稳定，可能需要扩容，移动原有元素
3. 多线程不安全。ConcurrentHashMap线程安全，多线程时建议使用。

参考

1. Java HashMap原理详解
2. 为什么HashMap线程不安全