你了解HashMap吗?

一、前言：

　　 面试过的人都知道，HashMap是Java程序员在面试中最最最经常被问到的一个点，可以说，不了解HashMap都不好意思说自己是做Java开发的。基本上你去面试十家公司，有七八家都会问到你HashMap。那么今天，就带着大家从源码的角度去分析一下，HashMap具体是怎么实现的。

　　二、HashMap的构造方法

　　1.HashMap构造方法

　　我们先来看HashMap的四个构造方法

```java
//initialCapacity给定的初始化容量，loadFactor扩容因子publicHashMap(int initialCapacity ,float loadFactor){if(initialCapacity <0)thrownewIllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "+initialCapacity);if(initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;if(loadFactor <=0||Float.isNaN(loadFactor))thrownewIllegalArgumentException("Illegal load factor: "+loadFactor);this.loadFactor = loadFactor;this.threshold =tableSizeFor(initialCapacity);}publicHashMap(int initialCapacity){//内部调用了上边的构造方法this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}publicHashMap(){//空参构造this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;// all other fields defaulted}publicHashMap(Map<?extendsK,?extendsV> m){//构造传入一个map，将map中的值放到hashmap中this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;putMapEntries(m,false);}
```

　　2.构造方法里的putMapEntries方法

　　刚才构造方法中提到了putMapEntries这个方法，接下来就让我们一起看一下

//该函数用于将一个map赋值给新的HashMapfinalvoidputMapEntries(Map<?extendsK,?extendsV> m,boolean evict){//定义变量接收旧hashmap的size    int s = m.size();//判断s的容量是否大于0if(s >0){//判断当前数组有没有初始化if(table ==null){// pre-size求出以  旧hashmap数组容量为阈值  的数组容量赋值给ftfloat ft =((float)s / loadFactor)+1.0F;//判断是不是大于最大容量，如果是，赋值为最大容量，否则将ft赋值给tint t =((ft <(float)MAXIMUM_CAPACITY)?(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);//判断t是否大于threshold(数组扩容阈值)if(t > threshold)//通过tablesizefor方法求出大于等于t的最小2的次幂值赋值给threshold（数组扩容阈值）threshold =tableSizeFor(t);}//如果数组长度大于扩容阈值，进行resize扩容操作 elseif(s > threshold)resize();//循环遍历取出旧hashmap的值放入当前hashmapfor(Map.Entry<?extendsK,?extendsV> e : m.entrySet()){K key = e.getKey();V value = e.getValue();putVal(hash(key), key, value,false, evict);}}}/*  if (table == null)分支，是判断当前数组是否初始化，因为在jdk1.8之后，只有当你第一次放值时，才会帮你创建16位的数组。float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F经过除运算再加上1.0F是为了向上取整if (t > threshold)注意一个细节，做判断的的时候，数组还没有初始化，这里的threshold的值还是给定的数组长度的值，也就是capacity的值else if (s > threshold)说明传入的map集合大于当前的扩容阈值，需要进行resize扩容操作
*/
```

　　tableSizeFor方法

　　刚才putMapEntries方法中，调用了tableSizeFor方法，接下来我们看一下这个tableSizeFor方法。

　　作用：创建hashMap对象时调用有参构造，传入初始容量，需要保证hashMap的初始长度为2的n次幂。

　　tableSizeFor方法用来计算大于等于并离传入值最近的2的n次幂的数值，比如传入15，算出结果为16，传入17，算出结果为32。

　　通过二进制的位移，第一次右移一位，第二次右移两位，第三次右移四位。。。通过五次位移，将范围内所有的位数都变为1，高位补0，最后得出来的结果再加上1，最后算出来的结果一定是2的n次幂。

//这个方法的作用是找到大于等于给定容量的最小2的次幂值//>>>表示无符号右移，也叫逻辑右移，即若该数为正，则高位补0，而若该数为负数，则右移后高位同样补07--》816--》16staticfinalinttableSizeFor(int cap){//先将数组长度减1，之所以在开始移位前先将容量-1，是为了避免给定容量已经是8,16这样2的幂时，不减一       直接移位会导致得到的结果比预期大。比如预期16得到应该是16，直接移位的话会得到32。int n = cap -1;//右移一位，在进行或运算，这个时候最高位和次高位就已经都是1，此时是2个1n |= n >>>1;//右移两位，在进行或运算，这个时候由上次运算得出的两个1，变成了四个1n |= n >>>2;//右移四位n |= n >>>4;//右移八位n |= n >>>8;//右移十六位，这个时候所有的位数都变为了1n |= n >>>16;//n+1操作，是为了进1，这个时候算出来的数值就一点是 2的n次幂return(n <0)?1:(n >= MAXIMUM_CAPACITY)? MAXIMUM_CAPACITY : n +1;}
```

　　移位的思想

　　2的整数幂用二进制表示都是最高有效位为1，其余全是0。

　　对任意十进制数转换为2的整数幂，结果是这个数本身的最高有效位的前一位变成1，最高有效位以及其后的位都变为0。

　　核心思想是，先将最高有效位以及其后的位都变为1，最后再+1，就进位到前一位变成1，其后所有的满2变0。所以关键是如何将最高有效位后面都变为1。

　　先移位，再或运算。

　　> 右移一位，再或运算，就有两位变为1;

　　>

　　> 右移两位，再或运算，就有四位变为1，，，

　　>

　　> 最后右移16位再或运算，保证32位的int类型整数最高有效位之后的位都能变为1。

　　三、HashMap的底层原理

　　先来看几个重要的参数：

staticfinalint DEFAULT_INITIAL_CAPACITY =1<<4;// 默认数组初始容量staticfinalint MAXIMUM_CAPACITY =1<<30;//数组最大容量staticfinalfloat DEFAULT_LOAD_FACTOR =0.75f;//默认加载因子staticfinalint TREEIFY_THRESHOLD =8;//树化的阈值staticfinalint UNTREEIFY_THRESHOLD =6;//由树退化到链表的阈值staticfinalint MIN_TREEIFY_CAPACITY =64;//树化最小数组容量//node节点，继承了Map.entry,在Entry原有的K,V的基础上追加了hash和next字段//分别表示key的hash值和下一个节点staticclassNode<K,V>implementsMap.Entry<K,V>{finalint hash;finalK key;V value;Node<K,V> next;}//重写了计算hash的方法//将 Hash 值的高 16 位右移并与原 Hash 值取异或运算(^)，混合高 16 位和低 16 位的值//得到一个更加散列的低 16 位的 Hash 值。staticfinalinthash(Object key){int h;return(key ==null)?0:(h = key.hashCode())^(h >>>16);}
```

　　HashMap在JDK1.8之前的实现方式数组+链表,

　　但是在JDK1.8后对HashMap进行了底层优化,改为了由 **数组+链表或者数值+红黑树**实现,主要的目的是提高查找效率

　　1. Jdk8数组+链表或者数组+红黑树实现，当链表中的元素大于等于8 个并且数组长度大于等于64以后， 会将链表转换为红黑树，当红黑树节点 小于 等于6 时又会退化为链表。

　　2. 当new HashMap()时，底层没有创建数组，首次调用put()方法示时，会调用resize方法，底层创建长度为16的数组，jdk8底层的数组是：Node[],而非Entry[]，用数组容量大小乘以加载因子得到一个值，一旦数组中存储的元素个数超过该值就会调用resize方法将数组扩容到原来的两倍，在做扩容的时候会生成一个新的数组，原来的所有数据需要重新计算哈希码值重新分配到新的数组，所以扩容的操作非常消耗性能。

　　默认的负载因子大小为0.75，数组大小为16。也就是说，默认情况下，那么当HashMap中元素个数超过16*0.75=12的时候，就把数组的大小扩展为2*16=32，即扩大一倍。

　　3. 在我们Java中任何对象都有hashcode，hash算法就是通过hashcode与自己进行向右位移16的异或运算。这样做是为了使高位的16位hash也能参与运算，使运算出来的hash值足够随机，足够分散，还有产生的数组下标足够随机。

　　map.put(k,v)实现原理：

　　(1)首先将k,v封装到Node对象当中(节点)。

　　(2)先调用k的hashCode()方法得出哈希值，并通过哈希算法转换成数组的下标。

　　(3)下标位置上如果没有任何元素，就把Node添加到这个位置上。如果说下标对应的位置上有链表。此时，就会拿着k和链表上每个节点的k进行equal。如果所有的equals方法返回都是false，那么这个新的节点将被添加到链表的末尾。如其中有一个equals返回了true，那么这个节点的value将会被覆盖。

　　HashMap中的put()方法

```java
publicVput(K key,V value){returnputVal(hash(key), key, value,false,true);}
```

　　putVal()方法。

finalVputVal(int hash,K key,V value,boolean onlyIfAbsent,boolean evict){Node<K,V>[] tab;Node<K,V> p;int n, i;//判断数组是否未初始化if((tab = table)==null||(n = tab.length)==0)//如果未初始化，调用resize方法 进行初始化n =(tab =resize()).length;//通过 & 运算求出该数据（key）的数组下标并判断该下标位置是否有数据if((p = tab[i =(n -1)& hash])==null)//如果没有，直接将数据放在该下标位置tab[i]=newNode(hash, key, value,null);//该数组下标有数据的情况else{Node<K,V> e;K k;//判断该位置数据的key和新来的数据是否一样if(p.hash == hash &&((k = p.key)== key ||(key !=null&& key.equals(k))))//如果一样，证明为修改操作，该节点的数据赋值给e,后边会用到e = p;//判断是不是红黑树elseif(p instanceofTreeNode)//如果是红黑树的话，进行红黑树的操作e =((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//新数据和当前数组既不相同，也不是红黑树节点，证明是链表else{//遍历链表for(int binCount =0;;++binCount){//判断next节点，如果为空的话，证明遍历到链表尾部了if((e = p.next)==null){//把新值放入链表尾部p.next =newNode(hash, key, value,null);//因为新插入了一条数据，所以判断链表长度是不是大于等于8if(binCount >= TREEIFY_THRESHOLD -1)// -1 for 1st//如果是，进行转换红黑树操作treeifyBin(tab, hash);break;}//判断链表当中有数据相同的值，如果一样，证明为修改操作if(e.hash == hash &&((k = e.key)== key ||(key !=null&& key.equals(k))))break;//把下一个节点赋值为当前节点p = e;}}//判断e是否为空（e值为修改操作存放原数据的变量）if(e !=null){// existing mapping for key//不为空的话证明是修改操作，取出老值V oldValue = e.value;//一定会执行  onlyIfAbsent传进来的是falseif(!onlyIfAbsent || oldValue ==null)//将新值赋值当前节点e.value = value;afterNodeAccess(e);//返回老值return oldValue;}}//计数器，计算当前节点的修改次数++modCount;//当前数组中的数据数量如果大于扩容阈值if(++size > threshold)//进行扩容操作resize();//空方法afterNodeInsertion(evict);//添加操作时 返回空值returnnull;}
```

　　map中resize方法

//扩容、初始化数组finalNode<K,V>[]resize(){Node<K,V>[] oldTab = table;//如果当前数组为null的时候，把oldCap老数组容量设置为0int oldCap =(oldTab ==null)?0: oldTab.length;//老的扩容阈值int oldThr = threshold;int newCap, newThr =0;//判断数组容量是否大于0，大于0说明数组已经初始化if(oldCap >0){//判断当前数组长度是否大于最大数组长度if(oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY){//如果是，将扩容阈值直接设置为int类型的最大数值并直接返回threshold =Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}//如果在最大长度范围内，则需要扩容  OldCap << 1等价于oldCap*2//运算过后判断是不是最大值并且oldCap需要大于16elseif((newCap = oldCap <<1)< MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr = oldThr <<1;// double threshold  等价于oldThr*2}//如果oldCap<0，但是已经初始化了，像把元素删除完之后的情况，那么它的临界值肯定还存在，                如果是首次初始化，它的临界值则为0elseif(oldThr >0)// initial capacity was placed in thresholdnewCap = oldThr;//数组未初始化的情况，将阈值和扩容因子都设置为默认值else{// zero initial threshold signifies using defaultsnewCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr =(int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}//初始化容量小于16的时候，扩容阈值是没有赋值的if(newThr ==0){//创建阈值float ft =(float)newCap * loadFactor;//判断新容量和新阈值是否大于最大容量newThr =(newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft <(float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft :Integer.MAX_VALUE);}//计算出来的阈值赋值threshold = newThr;@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})//根据上边计算得出的容量 创建新的数组       Node<K,V>[] newTab =(Node<K,V>[])newNode[newCap];//赋值table = newTab;//扩容操作，判断不为空证明不是初始化数组if(oldTab !=null){//遍历数组for(int j =0; j < oldCap;++j){Node<K,V> e;//判断当前下标为j的数组如果不为空的话赋值个e，进行下一步操作if((e = oldTab[j])!=null){//将数组位置置空oldTab[j]=null;//判断是否有下个节点if(e.next ==null)//如果没有，就重新计算在新数组中的下标并放进去newTab[e.hash &(newCap -1)]= e;//有下个节点的情况，并且判断是否已经树化elseif(e instanceofTreeNode)//进行红黑树的操作((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);//有下个节点的情况，并且没有树化（链表形式）else{//比如老数组容量是16，那下标就为0-15//扩容操作*2，容量就变为32，下标为0-31//低位：0-15，高位16-31//定义了四个变量//        低位头          低位尾Node<K,V> loHead =null, loTail =null;//        高位头          高位尾Node<K,V> hiHead =null, hiTail =null;//下个节点Node<K,V> next;//循环遍历do{//取出next节点next = e.next;//通过 与操作 计算得出结果为0if((e.hash & oldCap)==0){//如果低位尾为null，证明当前数组位置为空，没有任何数据if(loTail ==null)//将e值放入低位头loHead = e;//低位尾不为null，证明已经有数据了else//将数据放入next节点loTail.next = e;//记录低位尾数据loTail = e;}//通过 与操作 计算得出结果不为0else{//如果高位尾为null，证明当前数组位置为空，没有任何数据if(hiTail ==null)//将e值放入高位头hiHead = e;//高位尾不为null，证明已经有数据了else//将数据放入next节点hiTail.next = e;//记录高位尾数据hiTail = e;}//如果e不为空，证明没有到链表尾部，继续执行循环}while((e = next)!=null);//低位尾如果记录的有数据，是链表if(loTail !=null){//将下一个元素置空loTail.next =null;//将低位头放入新数组的原下标位置newTab[j]= loHead;}//高位尾如果记录的有数据，是链表if(hiTail !=null){//将下一个元素置空hiTail.next =null;//将高位头放入新数组的(原下标+原数组容量)位置newTab[j + oldCap]= hiHead;}}}}}//返回新的数组对象return newTab;}
```

　　map.get(k)实现原理

　　(1)、先调用k的hashCode()方法得出哈希值，并通过哈希算法转换成数组的下标。

　　(2)、在通过数组下标快速定位到某个位置上。重点理解如果这个位置上什么都没有，则返回null。如果这个位置上有单向链表，那么它就会拿着参数K和单向链表上的每一个节点的K进行equals，如果所有equals方法都返回false，则get方法返回null。如果其中一个节点的K和参数K进行equals返回true，那么此时该节点的value就是我们要找的value了，get方法最终返回这个要找的value。

　　HashMap中的get()方法

publicVget(Object key){Node<K,V> e;return(e =getNode(hash(key), key))==null?null: e.value;}
```

　　getNode()方法

finalNode<K,V>getNode(int hash,Object key){Node<K,V>[] tab;Node<K,V> first, e;int n;K k;//判断数组不为null并且长度大于0，并且通过hash算出来的数组下标的位置不为空，证明有数据if((tab = table)!=null&&(n = tab.length)>0&&(first = tab[(n -1)& hash])!=null){//判断数组的位置的key的hash和内容是否等同与要查询的数据if(first.hash == hash &&// always check first node((k = first.key)== key ||(key !=null&& key.equals(k))))//相等的话直接返回return first;//判断是否有下个节点if((e = first.next)!=null){//判断是否为为红黑树if(first instanceofTreeNode)//进行红黑树查询操作return((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);//链表查询操作do{//循环链表，逐一判断if(e.hash == hash &&((k = e.key)== key ||(key !=null&& key.equals(k))))//发现key的话就返回return e;}while((e = e.next)!=null);}}//没有查询到返回nullreturnnull;}

　　四、HashMap常见面试题分析

　　为何HashMap的数组长度一定是2的次幂?

　　首先，HashMap的初始化的数组长度一定是2的n次的，每次扩容仍是原来的2倍的话，就不会破坏这个规律，每次扩容后，原数据都会进行数据迁移，根据二进制的计算，扩容后数据要么在原来位置，要么在【原来位置+扩容长度】，这样就不需要重新hash，效率上更高。

　　HashMap中，如果想存入数据，首先它需要根据key的哈希值去定位落入哪个桶中

　　HashMap的做法，我总结的是，三步：>>>无符号右移、^异或、&与

　　具体是：拿着key的哈希值，先“>>>”无符号右移16位，然后“^”异或上key的哈希值，得到一个值，再拿着这个值去“&”上数组长度减一

　　最后得出一个数(如果数组长度是15的话，那这个数就是一个0-15之间的一个数)，这个数就是得出的数组脚标位置，也就是存入的桶的位置。

　　由上边可以知道，定位桶的位置最后需要做一个 “&” 与运算，&完了得出一个数，就是桶的位置

　　知道了这些以后，再来说为什么HashMap的长度之所以一定是2的次幂?

　　至少有以下**两个原因**：

　　1、HashMap的长度是2的次幂的话，可以让**数据更散列更均匀的分布**，更充分的利用数组的空间

　　怎么理解呢?下面举例子说一下如果不是2的次幂的数的话假设数组长度是一个奇数，那参与最后的&运算的肯定就是偶数，那偶数的话，它二进制的最后一个低位肯定是0，0做完&运算得到的肯定也是0，那意味着&完后得到的数的最低位一定是0最低位一定是0的话，那说明一定是一个偶数，换句话说就是：&完得到的数一定是一个偶数，所以&完获取到的脚标永远是偶数位，那意味着奇数位的脚标永远都没值，**有一半的空间是浪费的**奇数说完了，来说一下偶数，假设数组长度是一个偶数，比如6，那参与&运算的就是55的二进制 00000000 00000000 00000000 00000101发现任何一个数&上5，倒数第二低位永远是0，那就意味着&完以后，最起码肯定得不出2或者3(这点刚开始不好理解，但是好好想一下就能明白)意味着第二和第三脚标位肯定不会有值。

　　虽然偶数的话，不会像奇数那么夸张会有一半的脚标位得不到，但是也总会有一些脚标位得不到的。**所以不是2的次幂的话，不管是奇数还是偶数，就肯定注定了某些脚标位永远是没有值的，而某些脚标位永远是没有值的，就意味着浪费空间，会让数据散列的不充分，这对HashMap来说绝对是个灾难!**

　　2、HashMap的长度一定是2的次幂，还有另外一个原因，那就是在扩容迁移的时候不需要再重新通过哈希定位新的位置了。扩容后，元素新的位置，要么在原脚标位，要么在原脚标位+扩容长度这么一个位置。

　　比如扩容前长度是8，扩容后长度是16第一种情况：扩容前：00000000000000000000000000000101&000000000000000000000000000001118-1=7-------------------------------------101=====5 原来脚标位是5扩容后：00000000000000000000000000000101&0000000000000000000000000000111116-1=15-------------------------------------101=====5 扩容后脚标位是5(原脚标位)第二种情况：扩容前：00000000000000000000000000001101&000000000000000000000000000001118-1=7-------------------------------------101=====5 原来脚标位是5扩容后：00000000000000000000000000001101&0000000000000000000000000000111116-1=15-------------------------------------1101=====13 扩容后脚标位是13(原脚标位+扩容长度)```

　　扩容后到底是在原来位置还是在原脚标位+扩容长度的位置，主要是看新扩容最左边一个1对应的上方数字是0还是1如果是0则扩容后在原来位置，如果是1则扩容后在原脚标位+扩容长度的位置HashMap源码里扩容也是这么做的。

　　总结来说，就是hash&(n-1)这个计算有关。如果不为n不为2的n次方的话，那转换为二进制情况下，n-1就会有某一位为0，那与hash做了&运算后，该位置永远为0，那么计算出来的数组位置就永远会有某个下标的数组位置是空的，也就是这个位置永远不会有值。

　　JDK1.8中HashMap的性能优化

　　JDK1.8在1.7的基础上对一些操作进行了优化。

　　| 不同 | JDK1.7 | JDK1.8 |

　　| ------------------------ | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |

　　| 存储结构 | 数组+链表 | 数组+链表+红黑树 |

　　| 初始化方式 | 单独函数inflateTable() | 集成至扩容方法resize() |

　　| hash值计算方式 | 扰动处理=9次扰动=4次位运算+5次异或运算 | 扰动处理=2次扰动=1次位运算+1次异或运算 |

　　| 存放数据规则 | 无冲突时，存放数组;冲突时存放链表 | 无冲突时，存放数组;冲突&链表长度<8:c存放单链表;冲突&链表长度 >8:树化并存放红黑树 |

　　| 插入数据方式 | 头插法(将原位置的数据移动到后一位，再插入数据到该位置) | 尾插法 (直接插入链表尾部/红黑树) |

　　| 扩容后存储位置的计算方式 | 全部按照原来的方法进行运算(hashCode()->>扰动函数->>(h&length-1)) | 按照扩容后的规则计算(即扩容后位置=原位置或原位置+旧容量) |

　　注意：JDK1.8里转换为红黑树的时候，数组长度必须大于64，如果数组长度小于64，链表长度达到8的话，会进行resize扩容操作。

　　五、总结

　　 看到这里，我们已经HashMap的源码和实现有了清晰的理解，并且对它的构造方法再到它的一个put数据和get数据的一个源码解析，还有一些它里边比较精妙和重要的一些方法也都探索清楚了，希望这些知识点可以在大家以后的面试中也能够帮助到大家，斩获一个心仪的offer。