JDK1.8源码——java.util.HashMap

Posted 2021-04-06 Java老王

• 什么是哈希表？

• 什么是HashMap？

• HashMap定义

• 字段属性

• 构造函数

• 添加元素

• 扩容

• 查找元素

• 删除元素

• 遍历元素

•  重写equals方法需同时重写hashCode方法

 

正文

 

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什么是哈希表？

在讨论哈希表之前，我们先大概了解下其他数据结构在新增，查找等基础操作执行性能

　　数组：采用一段连续的存储单元来存储数据。对于指定下标的查找，时间复杂度为O(1)；通过给定值进行查找，需要遍历数组，逐一比对给定关键字和数组元素，时间复杂度为O(n)，当然，对于有序数组，则可采用二分查找，插值查找，斐波那契查找等方式，可将查找复杂度提高为O(logn)；对于一般的插入删除操作，涉及到数组元素的移动，其平均复杂度也为O(n)

　　线性链表：对于链表的新增，删除等操作（在找到指定操作位置后），仅需处理结点间的引用即可，时间复杂度为O(1)，而查找操作需要遍历链表逐一进行比对，复杂度为O(n)

　　二叉树：对一棵相对平衡的有序二叉树，对其进行插入，查找，删除等操作，平均复杂度均为O(logn)。

　　哈希表：相比上述几种数据结构，在哈希表中进行添加，删除，查找等操作，性能十分之高，不考虑哈希冲突的情况下，仅需一次定位即可完成，时间复杂度为O(1)，接下来我们就来看看哈希表是如何实现达到惊艳的常数阶O(1)的。

　　我们知道，数据结构的物理存储结构只有两种：顺序存储结构和链式存储结构（像栈，队列，树，图等是从逻辑结构去抽象的，映射到内存中，也这两种物理组织形式），而在上面我们提到过，在数组中根据下标查找某个元素，一次定位就可以达到，哈希表利用了这种特性，哈希表的主干就是数组。

　　比如我们要新增或查找某个元素，我们通过把当前元素的关键字 通过某个函数映射到数组中的某个位置，通过数组下标一次定位就可完成操作。

　　　　　　　　存储位置 = f(关键字)

　　其中，这个函数f一般称为哈希函数，这个函数的设计好坏会直接影响到哈希表的优劣。举个例子，比如我们要在哈希表中执行插入操作：

哈希冲突

 

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什么是HashMap？

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HashMap定义

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射，而且 key 和 value 都可以为 null。

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

 

 

 蓝色实线箭头是指Class继承关系

 绿色实线箭头是指interface继承关系

 绿色虚线箭头是指接口实现关系

 

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字段属性

//默认 HashMap 集合初始容量为16（必须是 2 的倍数）
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//集合的最大容量，如果通过带参构造指定的最大容量超过此数，默认还是使用此数
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认的填充因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树(JDK1.8新增)
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//当桶(bucket)上的节点数小于这个值时会转成链表(JDK1.8新增)
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/**(JDK1.8新增)
 * 当集合中的容量大于这个值时，表中的桶才能进行树形化 ，否则桶内元素太多时会扩容，
 * 而不是树形化 为了避免进行扩容、树形化选择的冲突，这个值不能小于 4 * TREEIFY_THRESHOLD
 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

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 //初始化使用，长度总是 2的幂
transient Node<K,V>[] table;
 //保存缓存的entrySet（）
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
 //此映射中包含的键值映射的数量。（集合存储键值对的数量）
transient int size;
/**
 * 跟前面ArrayList和LinkedList集合中的字段modCount一样，记录集合被修改的次数
 * 主要用于迭代器中的快速失败
 */
transient int modCount;
 //调整大小的下一个大小值（容量*加载因子）。capacity * load factor
int threshold;
 //散列表的加载因子。
final float loadFactor;

View Code

 

　　①、Node<K,V>[] table

　　我们说 HashMap 是由数组+链表+红黑树组成，这里的数组就是 table 字段。后面对其进行初始化长度默认是 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY= 16。

　　②、size

　　集合中存放key-value 的实时对数。

　　③、loadFactor

　　装载因子，是用来衡量 HashMap 满的程度，计算HashMap的实时装载因子的方法为：size/capacity，而不是占用桶的数量去除以capacity。capacity 是桶的数量，也就是 table 的长度length。

　　默认的负载因子0.75 是对空间和时间效率的一个平衡选择，建议大家不要修改，除非在时间和空间比较特殊的情况下，如果内存空间很多而又对时间效率要求很高，可以降低负载因子loadFactor 的值；相反，如果内存空间紧张而对时间效率要求不高，可以增加负载因子 loadFactor 的值，这个值可以大于1。

　　④、threshold

　　计算公式：capacity * loadFactor。这个值是当前已占用数组长度的最大值。过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的 HashMap 容量是之前容量的两倍

 

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构造函数

①、无参构造函数

/**
 * 默认构造函数，初始化加载因子loadFactor = 0.75
 */
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}

View Code

②、指定初始容量的构造函数

/**
 *
 * @param initialCapacity 指定初始化容量
 * @param loadFactor 加载因子 0.75
 */
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    //初始化容量不能小于 0 ，否则抛出异常
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                           initialCapacity);
    //如果初始化容量大于2的30次方，则初始化容量都为2的30次方
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    //如果加载因子小于0，或者加载因子是一个非数值，抛出异常
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                           loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    //tableSizeFor()的主要功能是返回一个比给定整数大且最接近的2的幂次方整数，如给定10，返回2的4次方16.
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
// 返回大于等于initialCapacity的最小的二次幂数值。
// >>> 操作符表示无符号右移，高位取0。
// | 按位或运算
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

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添加元素

//hash(key)获取Key的哈希值，equls返回为true,则两者的hashcode一定相等，意即相等的对象必须具有相等的哈希码。
public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

/**
 *
 * @param hash Key的哈希值
 * @param key  键
 * @param value  值
 * @param onlyIfAbsent true 表示不要更改现有值
 * @param evict false表示table处于创建模式
 * @return
 */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
        boolean evict) {
     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
     //如果table为null或者长度为0，则进行初始化
     //resize()方法本来是用于扩容，由于初始化没有实际分配空间，这里用该方法进行空间分配，后面会详细讲解该方法
     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
         n = (tab = resize()).length;
     //(n - 1) & hash：确保索引在数组范围内,相当于hash % n 的值
     //通过 key 的 hash code 计算其在数组中的索引：为什么不直接用 hash 对 数组长度取模？因为除法运算效率低
     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);//tab[i] 为null，直接将新的key-value插入到计算的索引i位置
     else {//tab[i] 不为null，表示该位置已经有值了
         Node<K,V> e; K k;
         //e节点表示已经存在Key的节点，需要覆盖value的节点
         //table[i]的首个元素是否和key一样,如果相同直接覆盖value
         if (p.hash == hash &&
             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
             e = p;//节点key已经有值了，将第一个节点赋值给e
         //该链是红黑树
         else if (p instanceof TreeNode)
             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
         //该链是链表
         else {
             //遍历链表
             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                 //先将e指向下一个节点，然后判断e是否是链表中最后一个节点
                 if ((e = p.next) == null) {
                     创建一个新节点加在链表结尾
                     p.next = newNode(hash, key, value, null);
                     //链表长度大于8，转换成红黑树
                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                         treeifyBin(tab, hash);
                     break;
                 }
                 //key已经存在直接终止，此时e的值已经为 p.next
                 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)
                 //修改已经存在Key的节点的value
                 e.value = value;
             afterNodeAccess(e);
             //返回key的原始值
             return oldValue;
         }
     }
     ++modCount;//用作修改和新增快速失败
     if (++size > threshold)//超过最大容量，进行扩容
         resize();
     afterNodeInsertion(evict);
     return null;
}

View Code

　　①、判断键值对数组 table 是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容；

　　②、根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table[i]不为空，转向③；

　　③、判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value，否则转向④，这里的相同指的是hashCode以及equals；

　　④、判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对，否则转向⑤；

　　⑤、遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；

　　⑥、插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超过了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。

if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 此处先判断p.hash == hash是为了提高效率，仅通过(k = e.key) == key || key.equals(k)其实也可以进行判断，但是equals方法相当耗时！如果两个key的hash值不同，那么这两个key肯定不相同，进行equals比较是扯淡的！所以先通过p.hash == hash该条件，将桶中很多不符合的节点pass掉。然后对剩下的节点继续判断。

 

h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。

数组的长度按规定一定是2的幂。因此，数组的长度的二进制形式是：10000…000, 1后面有偶数个0。 那么，length - 1 的二进制形式就是01111.111, 0后面有偶数个1。

这看上去很简单，其实比较有玄机的，我们举个例子来说明：

假设数组长度分别为15和16，优化后的hash码分别为8和9，那么&运算后的结果如下：

   h & (table.length-1)   hash       table.length-1

       8 & (15-1)：           0100   &    1110  =    0100
       9 & (15-1)：           0101   &    1110  =    0100

       ---------------------------------------------------

       8 & (16-1)：           0100   &    1111   =    010
       9 & (16-1)：           0101   &    1111   =    0101

从上面的例子中可以看出：当它们和15-1（1110）“与”的时候，产生了相同的结果，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，8和9会被放到数组中的同一个位置上形成链表，那么查询的时候就需要遍历这个链
表，得到8或者9，这样就降低了查询的效率。同时，我们也可以发现，当数组长度为15的时候，hash值会与15-1（1110）进行“与”，那么最后一位永远是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是 这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！

当n为2次幂时，会满足一个公式：(n - 1) & hash = hash % n，计算更加高效。

只有是2的幂数的数字经过n-1之后，二进制肯定是 ...11111111 这样的格式，这种格式计算的位置的时候，完全是由产生的hash值类决定

奇数n-1为偶数，偶数2进制的结尾都是0，经过&运算末尾都是0，会 增加hash冲突。

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扩容

扩容（resize），我们知道集合是由数组+链表+红黑树构成，向 HashMap 中插入元素时，如果HashMap 集合的元素已经大于了最大承载容量threshold（capacity * loadFactor），这里的threshold不是数组的最大长度。那么必须扩大数组的长度，Java中数组是无法自动扩容的，我们采用的方法是用一个更大的数组代替这个小的数组

final Node<K,V>[] resize() {
        //将原始数组数据缓存起来
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//原数组如果为null，则长度赋值0
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {//如果原数组长度大于0
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//数组大小如果已经大于等于最大值(2^30)
                threshold = Integer.MAX_VALUE;//修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了
                return oldTab;
            }
            //原数组长度扩大1倍(此时将原数组扩大一倍后的值赋给newCap)也小于2^30次方，并且原数组长度大于等于初始化长度16
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // 阀值扩大1倍
            //如果原数组长度扩大一倍后大于MAXIMUM_CAPACITY后，newThr还是0
        }
        else if (oldThr > 0)
            //旧容量为0，旧阀值大于0，则将新容量直接等于就阀值
            //在第一次带参数初始化时候会有这种情况
            //newThr在面算
            newCap = oldThr;
        else {
            //阀值等于0，oldCap也等于0（集合未进行初始化）
            //在默认无参数初始化会有这种情况
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//数组长度初始化为16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//阀值等于16*0.75=12
        }
        //计算新的阀值上限
        //此时就是上面原数组长度扩大一倍后大于MAXIMUM_CAPACITY和旧容量为0、旧阀值大于0的情况
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        //将阀值上限设置为新阀值上限
        threshold = newThr;
        //用于抑制编译器产生警告信息
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            //创建容器大小为newCap的新数组
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        //将新数组赋给table
        table = newTab;
        //如果是第一次,扩容的时候,也就是原来没有元素,下面的代码不会运行,如果原来有元素,则要将原来的元素,进行放到新扩容的里面
        if (oldTab != null) {
            //把每个bucket都移动到新的buckets中
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;//元数据j位置置为null，便于垃圾回收
                    if (e.next == null)//数组没有下一个引用（不是链表）
                        //直接将e的key的hash与新容量重新计算下标,新下标的元素为e
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)//红黑树
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            //原索引
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            //原索引+oldCap
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        //原索引放到bucket里
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        //原索引+oldCap放到bucket里
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

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查找元素

①、get(Object key)

通过 key 查找 value：首先通过 key 找到计算索引，找到桶元素的位置，先检查第一个节点，如果是则返回，如果不是，则遍历其后面的链表或者红黑树。其余情况全部返回 null。

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

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        //根据key计算的索引检查第一个索引
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        //不是第一个节点
        if ((e = first.next) != null) {
            if (first instanceof TreeNode)//遍历树查找元素
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do {
                //遍历链表查找元素
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

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②、判断是否存在给定的 key 或者 value

public boolean containsKey(Object key) {
    return getNode(hash(key), key) != null;
}
public boolean containsValue(Object value) {
    Node<K,V>[] tab; V v;
    if ((tab = table) != null && size > 0) {
        //遍历数组
        for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
            //遍历数组中的每个节点元素
            for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                if ((v = e.value) == value ||
                    (value != null && value.equals(v)))
                    return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

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删除元素

public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
        null : e.value;
}

final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
        boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    //(n - 1) & hash找到桶的位置
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
    (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
    Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
    //如果键的值与链表第一个节点相等，则将 node 指向该节点
    if (p.hash == hash &&
    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
    node = p;
    //如果桶节点存在下一个节点
    else if ((e = p.next) != null) {
        //节点为红黑树
    if (p instanceof TreeNode)
     node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);//找到需要删除的红黑树节点
    else {
     do {//遍历链表，找到待删除的节点
         if (e.hash == hash &&
             ((k = e.key) == key ||
              (key != null && key.equals(k)))) {
             node = e;
             //找到就停止，如果此时是第一次遍历就找到，则node指向链表中第二个元素，p还是第一个元素
             //第一次没找到，第二次找到，则node指向链表中第三个元素，p指向第二个元素，p是找到元素节点的父节点
             //所以需要遍历的时候p和node 是不相等的，只有链表第一个元素就判断相等时，p和node 相等
             break;
         }
         //第一次遍历没找到， 此时p指向第二个元素
         p = e;
     } while ((e = e.next) != null);
    }
    }
    //删除节点，并进行调节红黑树平衡
    if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                  (value != null && value.equals(v)))) {
    if (node instanceof TreeNode)
     ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
    else if (node == p)
     //如果键的值与链表第一个节点相等，则将元素位置指向 node的下一个节点（链表的第二个节点），有可能node.next 为null
     tab[index] = node.next;
    else
     //如果键的值与链表第一个节点不相等，node的父节点的next指向node的next
     p.next = node.next;
    ++modCount;
    --size;
    afterNodeRemoval(node);
    return node;
    }
    }
    return null;
}

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遍历元素

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("1", "A");
map.put("2", "B");
map.put("3", "C");
map.put("4", "D");
map.put("5", "E");
map.put("6", "F");
for(String str : map.keySet()){
    System.out.print(map.get(str)+" ");
}

for(HashMap.Entry entry : map.entrySet()){
    System.out.print(entry.getKey()+" "+entry.getValue());
}

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 重写equals方法需同时重写hashCode方法

各种资料上都会提到，“重写equals时也要同时覆盖hashcode”，我们举个小例子来看看，如果重写了equals而不重写hashcode会发生什么样的问题

/**
 * Created by chenhao on 2018/9/28.
 */
public class MyTest {
    private static class Person{
        int idCard;
        String name;

        public Person(int idCard, String name) {
            this.idCard = idCard;
            this.name = name;
        }
        @Override
        public boolean equals(Object o) {
            if (this == o) {
                return true;
            }
            if (o == null || getClass() != o.getClass()){
                return false;
            }
            Person person = (Person) o;
            //两个对象是否等值，通过idCard来确定
            return this.idCard == person.idCard;
        }

    }
    public static void main(String []args){
        HashMap<Person,String> map = new HashMap<Person, String>();
        Person person = new Person(123,"乔峰");
        //put到hashmap中去
        map.put(person,"天龙八部");
        //get取出，从逻辑上讲应该能输出“天龙八部”
        System.out.println("结果:"+map.get(new Person(123,"萧峰")));
    }
}

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如果我们已经对HashMap的原理有了一定了解，这个结果就不难理解了。尽管我们在进行get和put操作的时候，使用的key从逻辑上讲是等值的（通过equals比较是相等的），但由于没有重写hashCode方法，所以put操作时，key(hashcode1)-->hash-->indexFor-->最终索引位置 ，而通过key取出value的时候 key(hashcode2)-->hash-->indexFor-->最终索引位置，由于hashcode1不等于hashcode2，导致没有定位到一个数组位置而返回逻辑上错误的值null（也有可能碰巧定位到一个数组位置，但是也会判断其entry的hash值是否相等，上面get方法中有提到。）

再想象一下，假如两个Java对象A和B，A和B相等（eqauls结果为true），但A和B的哈希码不同，则A和B存入HashMap时的哈希码计算得到的HashMap内部数组位置索引可能不同，那么A和B很有可能允许同时存入HashMap，显然相等/相同的元素是不允许同时存入HashMap，HashMap不允许存放重复元素。

　　所以，在重写equals的方法的时候，必须注意重写hashCode方法，同时还要保证通过equals判断相等的两个对象，调用hashCode方法要返回同样的整数值。而如果equals判断不相等的两个对象，其hashCode可以相同（只不过会发生哈希冲突，应尽量避免）。