一篇文章彻底读懂HashMap之HashMap源码解析（上_）
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了一篇文章彻底读懂HashMap之HashMap源码解析（上_）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
优化了排版
就身边同学的经历来看，HashMap是求职面试中名副其实的“明星”，基本上每一加公司的面试多多少少都有问到HashMap的底层实现原理、源码等相关问题。
在秋招面试准备过程中，博主阅读过很多关于HashMap源码分析的文章，漫长的拼凑式阅读之后，博主没有看到过一篇能够通俗易懂、透彻讲解HashMap源码的文章（可能是博主没有找到）。秋招结束后，国庆假期抽空写下了这篇文章，用一种通俗易懂的方式向读者讲解HashMap源码，并且尽量涵盖面试中HashMap的所有考察点。希望能够对后面的求职者有所帮助~
这篇文章将会按以下顺序来组织：
HashMap源码分析（JDK8，通俗易懂）
HashMap面试“明星”问题汇总，以及明星问题答案
下面是JDK8中HashMap的源码分析，在下文源码分析中：
注释多少与重要性成正比
注释多少与重要性成正比
注释多少与重要性成正比
文末有资料分享
文末有资料分享
HashMap的成员属性源码分析
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>,
Cloneable, Serializable {
private static final long serialVersionUID
= 362498820763181265L;
//HashMap的初始容量为16，HashMap的
//容量指的是存储元素的数组大小，
//即桶的数量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY
= 1 << 4;
//HashMap的最大的容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY
= 1 << 30;
接上面：
//下面有详细解析
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR
= 0.75f;
//当某一个桶中链表的长度>=8时，链表结构会转换成
//红黑树结构,其实还要求桶的中数量>=64,后面会提到
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//当红黑树中的节点数量<=6时，红黑树结构会转变为
//链表结构
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//上面提到的：当Node数组容量>=64的前提下，如果
//某一个桶中链表长度>=8，则会将链表结构转换成
//红黑树结构
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
}
DEFAULT_LOAD_FACTOR:HashMap的负载因子，影响HashMap性能的参数之一，是时间和空间之间的权衡，后面会看到HashMap的元素存储在Node数组中，这个数组的大小这里称为“桶”的大小。另外还有一个参数size指的是我们往HashMap中put了多少个元素。当size>桶的数量*DEFAULT_LOAD_FACTOR的时候，这时HashMap要进行扩容操作，也就是桶不能装满。DEFAULT_LOAD_FACTOR是衡量桶的利用率:
DEFAULT_LOAD_FACTOR较小时（桶的利用率较小）,这时浪费的空间较多（因为只能存储桶的数量DEFAULT_LOAD_FACTOR个元素，超过了就要进行扩容）,这种情况下往HashMap中put元素时发生冲突的概率也很小，所谓冲突指的是：多个元素被put到了同一个桶中;冲突小时（可以认为一个桶中只有一个元素）put、get等HashMap的操作代价就很低，可以认为是O(1);
DEFAULT_LOAD_FACTOR很大时，桶的利用率较大的时候(注意可以大于1，因为冲突的元素是使用链表或者红黑树连接起来的)，此时空间利用率较高，这也意味着一个桶中存储了很多元素，这时HashMap的put、get等操作代价就相对较大，因为每一个put或get操作都变成了对链表或者红黑树的操作，代价肯定大于O(1),所以说DEFAULT_LOAD_FACTOR是空间和时间的一个平衡点;
DEFAULT_LOAD_FACTOR较小时，需要的空间较大，但是put和get的代价较小;
DEFAULT_LOAD_FACTOR较大时，需要的空间较小，但是put和get的代价较大）。
扩容操作就是把桶的数量2，即把Node数组的大小调整为扩容前的2倍，至于为什么是两倍，分析扩容函数时会讲解，这其实是一个trick，细节后面会详细讲解。Node数组中每一个桶中存储的是Node链表，当链表长度>=8的时候并且Node数组的大小>=64，链表会变为红黑树结构（因为红黑树的增删改查复杂度是logn，链表是n，红黑树结构比链表代价更小）。
HashMap内部类——Node源码分析
//Node是HashMap的内部类
static class Node<K,V>
implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;//保存map中的key
V value;//保存map中的value
Node<K,V> next;//单向链表
//构造器
Node(int hash, K key, V value
,Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
HashMap的内部类Node：HashMap的所有数据都保存在Node数组中那么这个Node到底是个什么东西呢？
Node的hash属性：保存key的hashcode的值：key的hashcode ^ (key的hashcode>>>16)。这样做主要是为了减少hash冲突当我们往map中put(k,v)时，这个k,v键值对会被封装为Node，那么这个Node放在Node数组的哪个位置呢：index=hash&(n-1),n为Node数组的长度。那为什么这样计算hash可以减少冲突呢？如果直接使用hashCode&(n-1)来计算index，此时hashCode的高位随机特性完全没有用到，因为n相对于hashcode的值很小，计算index的时候只能用到低16位。基于这一点，把hashcode高16位的值通过异或混合到hashCode的低16位，由此来增强hashCode低16位的随机性。
HashMap hash函数分析
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 :
(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
HashMap允许key为null，null的hash为0（也意味着HashMap允许key为null的键值对），非null的key的hash高16位和低16位分别由由：key的hashCode高16位和hashCode的高16位异或hashCode的低16位组成。主要是为了增强hash的随机性减少hash&(n-1)的随机性，即减小hash冲突，提高HashMap的性能。所以作为HashMap的key的hashCode函数的实现对HashMap的性能影响较大，极端情况下：所有key的hashCode都相同，这是HashMap的性能很糟糕！
HashMap tableSizeFor函数源码分析
static final int tableSizeFor(int cap) {
//举例而言：n的第三位是1(从高位开始数)，
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;
}在new HashMap的时候，如果我们传入了大小参数，这是HashMap会对我们传入的HashMap容量进行传到tableSizeFor函数处理：这个函数主要功能是：返回一个数：这个数是大于等于cap并且是2的整数次幂的所有数中最小的那个，即返回一个最接近cap(>=cap)，并且是2的整数次幂的数。
具体逻辑如下:一个数是2的整数次幂，那么这个数减1的二进制就是一串掩码，即二进制从某位开始是一 串连续的1。所以只要对的对应的掩码，掩码+1一定是2的整数次幂，这也是为什么n=cap-1的原因。
举例而言,假设：
n=00010000_00000000_00000000
n |= n >>> 1;//执行完后
//n=00011000_00000000_00000000
n |= n >>> 2;//执行完后
//n= 00011110_00000000_00000000
n |= n >>> 4;//执行完后
//n= 00011111_11100000_00000000
n |= n >>> 8;//执行完后
//n= 00011111_11111111_11100000
n |= n >>> 16;//执行完后
//n=00011111_11111111_11111111
返回n+1，(n+1)>=cap、为2的整数次幂，并且是与cap差值最小的那个数。最后的n+1一定是2的整数次幂，并且一定是>=cap。
整体的思路就是：如果n的二进制的第k为1，那么经过上面四个‘|’运算后[0,k]位都变成了1,即：一连串连续的二进制‘1’(掩码)，最后n+1一定是2的整数次幂（如果不溢出）。
HashMap成员属性源码分析
//我们往map中put的(k,v)都被封装在Node中，
//所有的Node都存放在table数组中
transient Node<K,V>[] table;
//用于返回keySet和values
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//保存map当前有多少个元素
transient int size;
//failFast机制，在讲解ArrayList
//和LinkedList一文中已经讲过了
transient int modCount;threshold属性分析
int threshold;//下面有详细讲解
//负载因子，见上面对DEFAULT_LOAD_FACTOR
//参数的讲解，默认值是0.75
final float loadFactor;threshold也是比较重要的一个属性：
创建HashMap时，该变量的值是：初始容量（2的整数次幂）,之后threshold的值是HashMap扩容的门限值：即当前Nodetable数组的长度* loadfactor。举个例子而言，如果我们传给HashMap构造器的容量大小为9，那么threshold初始值为16，在向HashMap中put第一个元素后，内部会创建长度为16的Node数组，并且threshold的值更新为16*0.75=12。具体而言，当我们一直往HashMap put元素的时候，如果put某个元素后，Node数组中元素个数为13，此时会触发扩容（因为数组中元素个数>threshold了，即13>threshold=12），具体扩容操作之后会详细分析，简单理解就是，扩容操作将Node数组长度*2；并且将原来的所有元素迁移到新的Node数组中。
HashMap构造器源码分析
//构造器：指定map的大小，和loadfactorpublic HashMap(int initialCapacity
, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException
("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0
|| Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException(
"Illegal load factor: " + loadFactor);
//保存loadfactor
this.loadFactor = loadFactor;
/*注意，前面有讲tableSizeFor函数，
该函数返回值：>=initialCapacity、
返回值是2的整数次幂，并且得是满足
上面两个条件的所有数值中最小的那个数。
*/
this.threshold =
tableSizeFor(initialCapacity);
}/*
只指定HashMap容量的构造器，
loadfactor使用的是
默认的值:0.75
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity
, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//无参构造器，默认loadfactor：0.75,
//默认的容量是16
public HashMap() {
this.loadFactor
= DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}//其他不常用的构造器就不分析了
从构造器中我们可以看到：HashMap是“懒加载”，在构造器中值保留了相关保留的值，并没有初始化table<Node>数组，当我们向map中put第一个元素的时候，map才会进行初始化！
HashMap的get函数源码分析
//入口,返回对应的value
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
//hash函数上面分析过了
return (e = getNode(hash(key), key))
== null
? null : e.value;
}
get函数实质就是进行链表或者红黑树遍历搜索指定key的节点的过程；另外需要注意到HashMap的get函数的返回值不能判断一个key是否包含在map中，get返回null有可能是不包含该key；也有可能该key对应的value为null。HashMap中允许key为null，允许value为null。
getNode函数源码分析
//下面分析getNode函数
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) {
if (first.hash == hash&&
((k = first.key) == key
|| (key != null
&& key.equals(k))))
//一次就匹配到了，直接返回，
//否则进行搜索
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
//红黑树搜索/查找
return ((TreeNode<K,V>)first)
.getTreeNode(hash, key);
do {
//链表搜索(查找)
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key
|| (key != null
&& key.equals(k))))
return e;//找到了就返回
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;//没找到，返回null
}
注意getNode返回的类型是Node：当返回值为null时表示map中没有对应的key，注意区分value为null：如果key对应的value为null的话，体现在getNode的返回值e.value为null，此时返回值也是null，也就是HashMap的get函数不能判断map中是否有对应的key：get返回值为null时，可能不包含该key，也可能该key的value为null！那么如何判断map中是否包含某个key呢？见下面contains函数分析。getNode函数细节分析：
(n-1)&hash：当前key可能在的桶索引，put操作时也是将Node存放在index=(n-1)&hash位置。
getNode的主要逻辑：如果table[index]处节点的key就是要找的key则直接返回该节点； 否则：如果在table[index]位置进行搜索，搜索是否存在目标key的Node：这里的搜索又分两种：链表搜索和红黑树搜索，具体红黑树的查找就不展开了，红黑树是一种弱平衡(相对于AVL)BST，红黑树查找、删除、插入等操作都能够保证在O(lon(n))时间复杂度内完成，红黑树原理不在本文范围内，但是大家要知道红黑树的各种操作是可以实现的，简单点可以把红黑树理解为BST，BST的查找、插入、删除等操作的实现在之前的文章中有
讲解，红黑树实际上就是一种平衡的BST。
contains函数源码分析：
public boolean containsKey(Object key) {
//注意与get函数区分，我们往map中put的
//所有的<key,value>都被封装在Node中，
//如果Node都不存在显然一定不包含对应的key
return getNode(hash(key), key) != null;
} HashMap源码解析(下)。
下篇主要内容：put、resize等重点方法源码解析以及HashMap常见面试问题汇总及其答案。
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以上是关于一篇文章彻底读懂HashMap之HashMap源码解析（上_）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章