Java中的HashMap的工作原理是什么？

Posted 2020-12-04 楊    德

Java中的HashMap是以键值对(key-value)的形式存储元素的。HashMap需要一个hash函数，它使用hashCode()和equals()方法来向集合/从集合添加和检索元素。当调用put()方法的时候，HashMap会计算key的hash值，然后把键值对存储在集合中合适的索引上。如果key已经存在了，value会被更新成新值。HashMap的一些重要的特性是它的容量(capacity)，负载因子(load factor)和扩容极限(threshold resizing)。

hashmap是一个key-value键值对的数据结构，从结构上来讲在jdk1.8之前是用数组加链表的方式实现，jdk1.8加了红黑树，hashmap数组的默认初始长度是16，hashmap数组只允许一个key为null，允许多个value为null
hashmap的内部实现，hashmap是使用数组+链表+红黑树的形式实现的，其中数组是一个一个Node[]数组，我们叫他hash桶数组，它上面存放的是key-value键值对的节点。HashMap是用hash表来存储的，在hashmap里为解决hash冲突，使用链地址法，简单来说就是数组加链表的形式来解决，当数据被hash后，得到数组下标，把数据放在对应下表的链表中。
然后再说一下hashmap的方法实现
put方法，put方法的第一步，就是计算出要put元素在hash桶数组中的索引位置，得到索引位置需要三步，去put元素key的hashcode值，高位运算，取模运算，高位运算就是用第一步得到的值h，用h的高16位和低16位进行异或操作，第三步为了使hash桶数组元素分布更均匀，采用取模运算，取模运算就是用第二步得到的值和hash桶数组长度-1的值取与。这样得到的结果和传统取模运算结果一致，而且效率比取模运算高
jdk1.8中put方法的具体步骤，先判断hashmap是否为空，为空的话扩容，不为空计算出key的hash值i，然后看table[i]是否为空，为空就直接插入，不为空判断当前位置的key和table[i]是否相同，相同就覆盖，不相同就查看table[i]是否是红黑树节点，如果是的话就用红黑树直接插入键值对，如果不是开始遍历链表插入，如果遇到重复值就覆盖，否则直接插入，如果链表长度大于8，转为红黑树结构，执行完成后看size是否大于阈值threshold，大于就扩容，否则直接结束
get方法就是计算出要获取元素的hash值，去对应位置取即可。
扩容机制，hashmap的扩容中主要进行两部，第一步把数组长度变为原来的两倍，第二部把旧数组的元素重新计算hash插入到新数组中，在jdk1.8时，不用重新计算hash，只用看看原来的hash值新增的一位是零还是1，如果是1这个元素在新数组中的位置，是原数组的位置加原数组长度，如果是零就插入到原数组中。扩容过程第二部一个非常重要的方法是transfer方法，采用头插法，把旧数组的元素插入到新数组中。
3.hashmap大小为什么是2的幂次方
在计算插入元素在hash桶数组的索引时第三步，为了使元素分布的更加均匀，用取模操作，但是传统取模操作效率低，然后优化成h&(length-1)，设置成2幂次方，是因为2的幂次方-1后的值每一位上都是1，然后与第二步计算出的h值与的时候，最终的结果只和key的hashcode值本身有关，这样不会造成空间浪费并且分布均匀，如果不是2的幂次方
如果length不为2的幂，比如15。那么length-1的2进制就会变成1110。在h为随机数的情况下，和1110做&操作。尾数永远为0。那么0001、1001、1101等尾数为1的位置就永远不可能被entry占用。这样会造成浪费，不随机等问题。