Java HashMap 扩容机制深度解析

HashMap 的一个关键性能优化就是扩容机制，即在哈希表达到一定负载因子时，自动进行扩容，以保持检索效率。

在这篇文章中，我们将深入研究 HashMap 的扩容机制，了解其原理和影响因素。

1. 初始容量和负载因子

在深入了解 HashMap 的扩容机制之前，我们先了解一下 HashMap 的构造函数中的两个重要参数：

初始容量和负载因子。

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

1.1 initialCapacity（初始容量）

表示 HashMap 创建时的容量大小。默认为16，但可以根据预估的元素数量进行调整，以减少扩容次数。

1.2 loadFactor（负载因子）

表示哈希表在达到多少比例的容量时进行扩容。默认为0.75，即当哈希表的实际元素数量达到容量的 75% 时触发扩容。

2. 哈希表和负载因子的关系

HashMap 通过调整负载因子来平衡空间利用率和查找性能。

负载因子越大，哈希表的容量利用率越高，但可能导致哈希冲突增多；负载因子越小，哈希表的容量利用率越低，但减少了哈希冲突的可能性。

3. 扩容触发条件

HashMap 在什么情况下触发扩容呢？当哈希表中的元素数量达到负载因子与当前容量的乘积时，触发扩容操作。

具体公式为：

size > capacity * loadFactor

这时，HashMap 会将容量扩大为当前容量的两倍，并将原有的元素重新分配到新的哈希桶中。

4. 扩容过程

HashMap 的扩容过程并非简单地将数组大小翻倍。具体来说，扩容分为以下几个步骤：

4.1 创建新的哈希表数组

新的容量是原来容量的两倍，并且是大于等于当前元素数量除以负载因子的最小的2的幂。

int newCapacity = oldCapacity << 1;
while (newCapacity < size / loadFactor) {newCapacity <<= 1;
}

数组初始化值是 16，元素达到 12 时进行扩容，2 倍进行扩容后为 32。

4.2 迁移元素

将原哈希表中的元素重新计算哈希码并放入新的哈希表中。

//遍历旧数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;if (e.next == null)//hash、数组大小，进行与运算newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;else if (e instanceof TreeNode)((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // preserve order//.......}}
}

重新 hash 计算，我们看到 JDK 采用的是与运算，没有采用取模计算，与运算效率更高。

4.3 替换旧的哈希表

扩容完成后，将新的哈希表替换为原来的哈希表。

table = newTable;

5. 扩容过程的性能影响

HashMap 的扩容虽然为了维持性能，但在扩容过程中可能引起性能波动。

在扩容期间，如果有其他线程正在对 HashMap 进行并发修改，可能会导致遍历不一致性或者链表/红黑树的结构异常。这也是为什么在多线程环境中建议使用 ConcurrentHashMap。

6. 性能优化建议

为了减少扩容次数，我们可以在创建 HashMap 时提前设定足够的初始容量。这样可以减少哈希冲突的可能性，延缓扩容操作的发生。

Map<String, Integer> map = new HashMap<>(1024, 0.75f);

总结

通过深入了解 HashMap 扩容原理，合理选择初始容量和负载因子，负载因子参数一般不建议修改，注意并发修改可能引起的问题，都是使用 HashMap 时需要考虑的重要因素。

希望今天的内容对初学 Java 的朋友有所启发或者帮助。各位，有帮助点个赞或在看呀：-），这对我非常重要。