HashMap底层学习笔记

最近开始在阅读一些源码之类的学习，趁着周末，今天详细学习了一些HashMap底层的知识，遂记录下来。有很多理解或者描述不当之处，望请指正。

一、数据底层结构图

在这里插入图片描述

首先放一张HashMap底层结构图，由于现在JDK几乎都用8及以上了，因此本文记录的都是基于JDK8的HashMap。
在JDK8以后，HashMap底层采用数组+链表+红黑树的形式来进行存储。
HashMap底层用一个数组来存放节点，节点在数组中的位置是由一个特殊的算法计算出来的（下文会提到）。如果两个节点计算出来的hash值相同，那么就将新的节点以链表的形式，连接在已存在的节点的后面。如果同一位置的节点数超过8个，那么会将链表改成红黑树的形式进行存储。
这样说有点抽象，结合源码一起看吧。

二、HashMap源码解读

首先我们来看HashMap中的基本单位，节点，包括链表节点和红黑树节点。
链表节点：

/**
     * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for
     * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
     */
     //map内的存储单位，以节点方式存储，有hash,key,value,nextNode四个属性
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
        //node的构造方法
        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; }
        //重写Node的hashCode方法，用默认的hashCode方法计算出key的hashCode，
        //再和value的hashCode进行异或操作作为node的hashCode
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
        
        //重写Node的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;
        }
    }

每个节点都有hash,key,value,Node<K,V> next四个属性，hash是该节点的hash值，next是此节点的下一个节点。hash是此节点的hash值。在这个内部静态类中，重写了hashCode()和equals()方法。计算hash值的方法是用默认的hashCode方法计算出key的hashCode，再和value的hashCode进行异或操作作为node的hash码。

树节点的属性：

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }
        }

每个树节点有父节点，左节点，右节点等属性。构造器则是和Node一样，需要hash,key,value,next等参数。

接下来看HashMap的插入方法。

public V put(K key, V value) {
        //直接调用putVal方法
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

底层是通过putVal()方法进行插值，继续看putVal()方法，打了很多注释，应该看得懂～
属性说明：
table:Node<K,V>[]，底层存储节点的数组

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //如果当前存node的数组tab是空的
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            //调用resize()方法对tab进行扩容，把长度返回给n
            n = (tab = resize()).length;
        //计算新的节点在table中的位置，算法是用数组长度n-1来和哈希进行与运算（目前还不懂这个算法有啥好处）
        //如果那个位置是空的，就直接插入新的node
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

        //如果那个位置有节点了
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //p代表计算出来新节点应该存放位置的节点
            //如果需要添加的node的key已经存在了
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //把p的值赋给e，也就是直接把table[i]的值给新插入的元素，在后面会替换掉value
                e = p;
            //如果key不存在的情况
            //先判断p是不是树节点
            else if (p instanceof TreeNode)
                //是树节点的话，用传入的参数，插入一个新节点，并赋值给e
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            //是链表节点的话
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //如果table[i]的下一个节点是空的
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //把table[i]的下一个节点设置为要插入的节点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //如果table[i]那个位置上已经存在的node数量大于等7了，说明链表要转换成红黑树了
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            //替换链表结构改为红黑树结构
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //如果key已经存在了，就直接把e的值赋值给table[i]上那个节点
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //如果map中已经存在要新添加的节点的key了
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                //判断已存在的key对应的value是否为空，是的话直接覆盖值
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                //回调方法
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //如果数组中的节点数大于阀值了，扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

在上面源码中，计算节点在table中位置的算法是i = (n - 1) & hash]，在底层源码中，定义的HashMap的容量只能是2的次幂数，如果不是，也算强制通过resize()转换成2的高次幂。

/**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    //初始化容量，16，必须是2的次幂
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

在n-1后，这个数的二进制数就全是1了，再和hash值进行&操作，这操作好像很骚，我还没能get到它具体骚在哪里，只是觉得这种方式运算起来好像很简单，计算出来的位置，直接能够截取hash值(n-1)对应的二进制位数长度的低位。

结合源码和上面的结构图，应该能对HashMap结构以及JDK是如何实现它的有了一点点了解～
无奈我语言表达能力过差，不能像其他博主一样很生动形象的将自己意思表达出来，只能上图和源码了emmmm希望今年能多写点学习笔记，把自己学习到的知识记录分享。

小感想

通过阅读源码，能够稍微得了解一些大触们的编程世界，除了感叹那些精巧的算法和设计，源码里有很多值得学习的思想。
最后...一句鸡汤，只有努力永远不会辜负你。