Java基础——HashMap设计原理&实现分析
Posted 杨晨光
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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Java基础——HashMap设计原理&实现分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位，每一个Java程序员都应该了解HashMap。
本文主要从源码角度来解析HashMap的设计思路，并且详细地阐述HashMap中的几个概念，并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节，讨论HashMap的性能问题，并且在文中贯穿着一些关于HashMap常见问题的讨论。
1. HashMap设计思路以及内部结构组成
为了实现上述的设计思路，在HashMap内部，采用了数组+链表的形式来组织键值对Entry<Key,Value>。
HashMap内部维护了一个Entry[] table 数组，当我们使用 new HashMap()创建一个HashMap时，Entry[] table 的默认长度为16。Entry[] table的长度又被称为这个HashMap的容量（capacity）；
对于Entry[] table的每一个元素而言，或为null，或为由若干个Entry<Key,Value>组成的链表。HashMap中Entry<Key,Value>的数目被称为HashMap的大小(size);
Entry[] table中的某一个元素及其对应的Entry<Key,Value>又被称为桶(bucket);
其结构如下图所示：
HashMap内部组织结构由上图所示，现在来看一下HashMap的基本工作流程：
2. 什么是阀值？为什么会有阀值？什么是加载因子？它们有什么作用？
HashMap设计的初衷，是为了尽可能地迅速根据Key的hashCode值, 直接就可以定位到对应的Entry<Key,Value>对象，然后得到Value。
请读者考虑这样一个问题：
当我们使用 HashMap map = new HashMap()语句时，我们会创建一个HashMap对象，它内部的 Entry[] table的大小为 16，我们假定Entry[] table的大小会改变。现在，我们现在向它添加160对Key值完全不同的键值对<Key,Value>，那么，该HashMap内部有可能下面这种情况：即对于每一个桶中的由Entry<Key,Value>组成的链表的长度会非常地长！我们知道，对于查找链表操作的时间复杂度是很高的，为O(n)。这样的一个HashMap的性能会很低很低，如下图所示：
现在再来分析一下这个问题，当前的HashMap能够实现：
1. 根据Key的hashCode，可以直接定位到存储这个Entry<Key,Value>的桶所在的位置，这个时间的复杂度为O(1)；
2. 在桶中查找对应的Entry<Key,Value>对象节点，需要遍历这个桶的Entry<Key,Value>链表，时间复杂度为O(n);
那么，现在，我们应该尽可能地将第2个问题的时间复杂度o(n)降到最低，读者现在是不是有想法了：我们应该要求桶中的链表的长度越短越好！桶中链表的长度越短，所消耗的查找时间就越低，最好就是一个桶中就一个Entry<Key,Value>对象节点就好了！
这样一来，桶中的Entry<Key,Value>对象节点要求尽可能第少，这就要求，HashMap中的桶的数量要多了。
我们知道，HashMap的桶数目，即Entry[] table数组的长度，由于数组是内存中连续的存储单元，它的空间代价是很大的，但是它的随机存取的速度是Java集合中最快的。我们增大桶的数量，而减少Entry<Key,Value>链表的长度，来提高从HashMap中读取数据的速度。这是典型的拿空间换时间的策略。
但是我们不能刚开始就给HashMap分配过多的桶(即Entry[] table 数组起始不能太大)，这是因为数组是连续的内存空间，它的创建代价很大，况且我们不能确定给HashMap分配这么大的空间，它实际到底能够用多少，为了解决这一个问题，HashMap采用了根据实际的情况，动态地分配桶的数量。
上述的 HashMap的容量(即Entry[] table的大小) * 加载因子(经验值0.75)就是所谓的阀值(threshold)：
最后，请读者看一个实例：
默认创建的HashMap map =new HashMap();map的容量是 16，那么，当我们往 map中添加第几个完全不同的键值对<Key,Value>时，HashMap的容量会扩充呢？
呵呵，很简单的计算：由于默认的加载因子是0.75 ，那么，此时map的阀值是 16*0.75 = 12，即添加第13 个键值对<Key,Value>的时候，map的容量会扩充一倍。
这时候读者可能会有疑问：本来Entry[] table的容量是16，当放入12个键值对<Key,Value>后，不是至少还剩下4个Entry[] table 元素没有被使用到吗？这不是浪费了宝贵的空间了吗？！ 确实如此，但是为了尽可能第减少桶中的Entry<Key,Value>链表的长度，以提高HashMap的存取性能，确定的这个经验值。如果读者你对存取效率要求的不是太高，想省点空间的话，你可以new HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造方法将这个因子设置得大一些也无妨。
2. HashMap的算法实现解析
HashMap的算法实现最重要的两个是put() 和get() 两个方法，下面我将分析这两个方法：