HashMap的扩容机制、初始化容量大小的选择、容量为什么是2的次幂

前置知识

先来看看HashMap中的成员属性

解释：

• size当前的容器中Entry的数量，也就是当前K-V的数量
• loadFactory装载因子，用来衡量HashMap满的程度，loadFactory的默认值是0.75
• threshold临界值，当实际KV数量超过threshold时，就会触发扩容机制。
  threshold = capatity * loadFactory

容量capatity

除了以上这些成员属性外，还有一个紧密关联的概念：capatity容量。
capatity与size不是同一个概念，size来表示当前的HashMap已经装了多少，capatity是容量，HashMap最多能装多少

利用反射获取HashMap的容量capatity的大小
看好这个方法，接下来要用

public static void printHashMapCapacity(HashMap map) throws Exception {  Class<? extends HashMap> mapClass = map.getClass();  Method capacity = mapClass.getDeclaredMethod("capacity");  capacity.setAccessible(true);  Integer invoke = (Integer) capacity.invoke(map);  System.out.println(invoke);  
}

如果利用HashMap的无参构造，默认情况下的容量是16，当达到扩容机制时，就会扩容到32，以此类推
如果在new时，指定容量大小，则HashMap会选择第一个大于等于此数字的2的幂次作为初始容量

HashMap<Object, Object> hashMap = new HashMap<>();  
printHashMapCapacity(hashMap);  
// 默认的容量16  HashMap<Object, Object> map2 = new HashMap<>(1);  
printHashMapCapacity(map2);  
// 1 , 因为2的0次方是1  HashMap<Object, Object> map3 = new HashMap<>(7);  
printHashMapCapacity(map3);  
// 8 , 第一个大于7的2的次幂是8

阿里Java开发手册中规定，在初始化HashMap时，应该尽量指定其初始大小

loadFactory和threshold

这两个属性用来指定HashMap的扩容机制
threshold = loadFactory * capacity
当HashMap中的size超过threshold时，就会触发扩容，每次扩容后的容量是原始容量的2倍
从默认的初始容量16扩容到32、64、128…
loadFactory是装载因子，用来衡量HashMap满的程度，默认值是0.75f。
设置成0.75的好处是：capacity是2的次幂，两个数的乘积还是整数，避免浮点数造成影响。
我们初始化HashMap时，除了可以指定初始化容量大小外，还可以指定装载因子的大小的，但是修改装载因子的值是不推荐的。

为什么要设置初始化容量

当HashMap 发生扩容时，会新建一个指定容量的桶，然后将原来的Entry拷贝到新的桶中。
此过程会有较大的资源消耗。
为了避免在向HashMap中put过多元素时频繁发生扩容，需要指定一个合适大小的初始化容量。

初始化容量设置多少合适

我们的目的是避免频繁发生扩容，所以一次性指定初始化容量合适大小。
并不是我要塞入多少个元素，就初始化为多少，来看一个例子：
当我要向HashMap中put 7个元素，我将HashMap初始化为7

HashMap map = new HashMap(7);

因为传入的是一个7，HashMap会选择一个大于等于该值的2的次幂作为容量capacity
根据loadFactory=0.75，计算出threshold = 8 * 0.75 = 6
当我们put第7个元素时，就会触发扩容，扩容到16。
但是我们就想put 7个元素，在第7个时触发扩容，导致了性能和空间的浪费。
所以，我们在初始化时，选择多少的初始化容量，值得考虑。

借鉴HashMap 中putAll()方法，得出以下公式：

initCapatity = expectedSize / 0.75F + 1.0F 

这个计算方法虽然浪费了一些空间，但是在性能上却提升了。
当我们要put 7个元素， initCapacity = 7 / 0.75 + 1 = 10 ，经过HashMap的计算，第一个大于10的2的次幂的数是16，所以HashMap的容量是16。
16 * 0.75 = 12 ，当我要put第7个元素时，并不会发生扩容，性能得到提升。
而且与第一次我们设置初始化容量为7相比，最终所占用的空间是一样的。

为什么选择2的次幂作为容量

因为，在put时，HashMap会根据key的hash来计算对应Entry所在桶的位置。
通常都是利用求余来实现的

index = hash % capacity

但是直接利用%来计算是非常慢的，效率非常第低。
我们知道，在计算机中，最快的运算就是位运算了。
存在这样一个规律：当capacity是2的次幂时，满足以下恒等式

hash % capacity == hash & (capacity - 1)

在我们创建HashMap时，就做了第一步处理，选择大于等于给定数字的第一个2的次幂作为容量，就保证了。