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HashMap
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#### 目录

1. 思维导图
2. 概述
3. 内部实现
   - 确定索引
   - put 方法实现
   - 扩容机制
4. 常见问题
5. 参考

#### 思维导图

#### 概述

HashMap 底层数据结构是数组 + 链表 + 红黑树。数组的主要作用是方便快速查找，时间复杂度是 O(1)，默认大小是 16，数组的下标索引是通过 key 的 hashcode 计算出来的，数组元素叫做 Node，当多个 key 的 hashcode 一致，但 key 值不相同时，单个 Node 就会转化为链表，链表的查询复杂度是 O(n)，当链表的长度大于等于 8 并且数组的大小超过 64 时，链表就会转化为红黑树，红黑树的查询复杂度是 O(log(n))，简单来说，最坏的查询次数相当于红黑树的最大深度。

HashMap 非线程安全，如果需要满足线程安全，可以用 Collections.synchronizedMap 方法使得 HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。

#### 内部实现

```java
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    	//默认桶容量
        static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
        //负载因子
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
        //哈希桶数组
        transient Node<K,V>[] table;
        //HashMap 中实际存在的键值对数量
        transient int size;
        //记录 HashMap 内部结构发生变化的次数
        transient int modCount;
    }
```

在 HashMap 中，哈希桶数组的长度大小必须是 2 的 n 次方，这是一种非常规的设计，常规来说是把桶的大小设计为素数。相对来说，素数导致冲突的概率要小于非素数。HashTable 初始化桶的大小为 11，就是把桶大小设计为素数的应用。HashMap 采用这种非常规的设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap 定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。

这里存在一个问题，即使负载因子和 Hash 算法设计的再合理，也免不了会出现拉链过长的情况，一旦出现拉链过长，则会严重影响 HashMap 的性能。于是，在 JDK 1.8 版本中，对数据结构作了进一步优化，当链表长度大于等于 8 **并且数组长度大于等于 64 时**，链表就转换为红黑树（二叉查找树），利用红黑树快速增删改差的特点提高 HashMap 的性能，从 O(n) 到 O(log n)。如果数组长度小于 64，则只会扩容不会树化。

为什么是 8 呢？这个答案在源码中注释又说到。大概意思就是，在链表数据不多的时候，使用链表进行遍历也比较快，只有当链表数据比较多时，才会转化成红黑树，但红黑树的占用空间是链表的 2 倍，考虑到转化时间和空间消耗，所以我们需要定义出转化的边界值。

在考虑设计 8 这个值的时候，我们参考了泊松分布概率函数，由泊松分布得出结论如下：

```
     * 0:    0.60653066
     * 1:    0.30326533
     * 2:    0.07581633
     * 3:    0.01263606
     * 4:    0.00157952
     * 5:    0.00015795
     * 6:    0.00001316
     * 7:    0.00000094
     * 8:    0.00000006
     * more: less than 1 in ten million
```

也就是说，当链表长度是 8 的时候，出现的概率是 0.000000006，不到千万分之一，所以说，正常情况下，链表的长度不可能到达 8，而一旦到达了 8，肯定是 hash 算法出了问题。

##### 确定哈希桶数组索引位置

```java
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        // >>>无符号右移十六位
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
    
    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;
        // 通过 (n - 1) & hash 计算索引
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {}
        //...
    }
```

我们首先想到的就是通过 hash 对数组长度取模得到索引，这样元素的分布相对来说也是比较均匀的，但是模运算的消耗还是比较大的，而采用 (n - 1) & hash，当 n 为 2 的次方时，(n - 1) & hash 等价于取模运算，但是 & 比 % 具有更高的效率。

同时，取 hash 的时候通过 hashCode() 的高十六位和低十六位异或得到，这样做在数组长度比较小的时候也能保证高地位 bit 都能参与到 hash 的计算中，同时不会有太大开销。

![](https://i.loli.net/2019/02/25/5c7380b96f5f7.png)

##### put 方法的实现

![](https://i.loli.net/2019/02/25/5c739044aa5dd.png)

```java
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //1.tab 为空，则创建
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //2.计算下标
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //3.如果存在节点 key，直接覆盖 value
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //4.如果是红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //5.链表插入
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //链表长度大于八转化为红黑树
                        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;
        //6.如果超过最大容量，则扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
```

##### 扩容机制

扩容的时候容量翻倍，也就是 x2，这也同时保证了长度依旧是 2 的次方，所以前面基于 (n - 1) & hash 取索引的优化得以保留。既然数组长度改变了，那么肯定的重新计算索引位置呀？这里又有一个优化点，当 n 为 2 次方时，x2 只不过是在高位补个 1，然后在进行与运算时，hash 的低位保持不变，高位是 1 得 1，是 0 得 0，也就是说 hash 高位为 1，索引就变成了原索引再加上旧桶值；高位为 0，索引就和原索引一致。这也就避免重新 (n - 1) & hash 操作获取索引，只需要看 hash 的高位是 1 还是 0 即可。

看当 n = 16 时，hash = 5 的时候，示意图：

![](https://i.loli.net/2019/02/25/5c73962006a2e.png)

![](https://i.loli.net/2019/02/25/5c73963767162.png)

所以，可以把 HashMap 的优化都归功于桶长度为 2 的次方。

#### 参考

[Java8 系列之重新认识 HashMap](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjQ5MTI5OA==&mid=504261609&idx=1&sn=cdc762fe7c9050e7e9a2554d8c3337a4&mpshare=1&scene=23&srcid=0217AGtnvS7RimagXJQkmTXc#rd)