一、概述
HashMap應該是我們最常會使用到的Map容器了吧，這裏先簡單羅列寫它的特點：
1.實現所有Map接口方法，允許null值key、null值value
2.不保證元素的順序，包括先後添加的順序，特別是隨着容量增加順序不能保證
3.實現等價於HashTable，區別是HashMap是非線程安全的
4.假設hash方法可以正確的分散，基本的get、put操作的時間複雜度爲常量時間（N）
5.迭代器迭代時間與容量正比例，常用迭代操作的初始化容量不要大，負載因子不要太小
6.主要的兩個參數：初始容量和負載因子；當映射大小達到容量和因子的乘積大小後自動擴大容量，對全部映射重新hash,容量大概變爲原來的2倍；需要衡量好初始容量和因子的大小，默認因子的大小爲0.75，因子大可以增加空間使用率、減少重新hash次數，但是影響get，put的性能
7.非線程安全，可以使用Collection.synchronizedMap或者Collections.synchronizedMap包裝爲線程安全Map
8.與ArrayList相似，HashMap在發現併發時一樣是有‘快速失敗’機制，在獲取迭代器後，如果數據結構發送改變，將會拋出ConcurrentModificationException異常
二、源碼分析
1、變量
由於後面的方法中源碼常出現HashMap的變量，這裏先列出來並說明作用
//默認初始化大小爲16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;最大容量大小爲2的30次方：1073741824
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//默認負載因子大小爲0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//空數組
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};//存儲鍵值對映射的Entry數組，默認爲空數組，大小必須爲2的次冪
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;//保存HashMap實例映射的數量
transient int size;//當前大小的上限閥值，達到這個值後需要擴容(resize)，該值應爲容量與負載因子的乘積
//當table還是空數組情況下，這個值是第一次初始化的大小
int threshold;//負載因子
final float loadFactor;//可理解爲修改次數，每次map結構修改都會加1，用於檢測併發快速失敗
transient int modCount;//String類型key默認的可選threshold，當threshold大於這個值時，啓用可選hash算法，可以減少由於弱hash值計算方法導致的hash衝突，這個值可以通過系統變量：jdk.map.althashing.threshold設置
static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;下面的代碼就是爲了從jdk.map.althashing.threshold獲取這個ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD；
這段’靜態’代碼作用很簡單，就是獲取這個ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT值，當設置爲-1時表示不啓用改可選hash方法，值還是Integer.MAX_VALUE；
static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD;
static {
String altThreshold = java.security.AccessController.doPrivileged(
new sun.security.action.GetPropertyAction(
"jdk.map.althashing.threshold"));
int threshold;
try {
threshold = (null != altThreshold)
? Integer.parseInt(altThreshold)
: ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT;
// disable alternative hashing if -1
if (threshold == -1) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
}
if (threshold < 0) {
throw new IllegalArgumentException("value must be positive integer.");
}
} catch(IllegalArgumentException failed) {
throw new Error("Illegal value for 'jdk.map.althashing.threshold'", failed);
}
ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD = threshold;
}
}//hash種子參數，隨機值，每個實例可能不一樣在，計算hash值時使用，用於減少hash碰撞(hash值衝突)，爲0時表示可選hash不啓用
transient int hashSeed = 0;2、方法
public 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);
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
init();
}
void init() {
}使用構造方法創建一個HashMap對象後，實際table還是一個空數組，init方法是空實現，並沒有進行實際的初始化操作；這裏有一點有注意的就是 threshold 等於指定的初始化大小而不是initialCapacity與loadFactor的乘積，當table還是空數組時，第一次初始化到threshold大小就是initialCapacity；
private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
// assert number >= 0 : "number must be non-negative";
return number >= MAXIMUM_CAPACITY
? MAXIMUM_CAPACITY
: (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
}這個靜態內部方法，用於計算入參number的處於的下一個2次冪結果，這樣說有點難理解，還是解析代碼：當number大於最大容量值，返回最大值；當numer小於等於1時，返回1；其他情況返回(number-1)最高位代表的值乘2。也即是獲取2次冪中第一個大於number的值；所以這個方法的返回值肯定是2次冪的數；
下面我們來看下核心的put方法，涉及容量的擴展、hash計算
public V put(K key, V value) {
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}當表table還是空（剛new出來的實例）會進行一次擴容，每次擴容大小爲threshold,這裏第一次threshold的值是initialCapacity；
從第二段代碼可以看出，key值是允許爲null的，並且是單獨出來，後面我們再看具體處理實現；
接着就是hash計算以及put存儲和碰撞處理，對於以及存在的key，會進行值的替換並返回舊值；
最後如果是新key值，將該key-value保存到table中；
下面我們來看put方法中所調用到方法的具體實現：
private void inflateTable(int toSize) {
// Find a power of 2 >= toSize
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}實際這個方法可以看成是初始化的方法，因爲第一次table對象創建只在這個方法裏面；roundUpToPowerOf2方法獲取下一個2次冪數，threshold設置爲下一次需要擴容的目標大小(toSize)，創建完table數組對象後，初始化hashSeed:
final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;
boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
if (switching) {
hashSeed = useAltHashing
? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)
: 0;
}
return switching;
}只有當capacity大於ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD且還沒有使用過可選hash因子時，纔會隨機一個值作爲hash因子，否則都是0；這個方法只會在初始化（相當於）inflateTable方法，和擴容方法 resize 才調用；當map的容量大於某個值時切換使用一個隨機的hash因子主要爲了減少hash值的重複；
下面具體看看null值的key處理：
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}可以看出null處理和put方法結果差不多，主要區別是null的hash值固定爲0，當然也不會存在不同key重複的hash值，所以索引index位置也不需要計算，也是0；
計算hash值的方法：
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}首先判斷了是否啓用了可選的hash因子，如果啓用了並且key是String類型，則使用特殊底層方法計算hash值；下面的具體的hash值算法，使用了很多的位移和異或操作，我們這裏只需要知道它的目的就是減少不同key的hash值等到相同值的發生，不深入去理解這算法設計爲什麼如此；
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}索引index方法，是得到hash值後，計算key對應的hash值應該放在哪個table的那個位置（index）;對於這種需求：在一個定長的數組計算位置、位置值範圍爲0~~length-1、且 要儘可能均勻分散，我們一把最常使用的方法就是取模運算；這裏使用一個與運算的巧妙之處是與length有關的，table的length總是爲大於0的2的次冪數，所以length-1的值總是爲$2^x$，二進制就是(11…11)，與運算後得到的結果肯定小於length-1，且能均分分佈；加上前面的hash計算算法，能有效的減少hash衝突碰撞；
接下來有必要先看看鍵值對Entry的實現，然後才繼續往下看addEntry方法：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}Entry實現也簡單易懂，記錄每個鍵值對key-value，以及key值的hash值，重要的是有一個next變量用於存儲hash衝突（key值hash 值相同）的情況，當有碰撞衝突是，next就相當於一個鏈表，後面會看到如何存儲和查找；equal的邏輯是key和value都相等才任務entry相等，這裏還有兩個接口方法是空實現的：recordAccess 方法在值替換的時候會被調用，recordRemoval 方法在值被移除的時候會被調用；
接下來繼續看 addEntry 方法：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}每次增加Entry都先判斷是否需要擴容：當前大小size是否大於等於閥值且本次需要存儲的index在table非空；所以size達到閥值並不是擴容的唯一條件，如果index的位置還是空，還可以繼續存儲不擴容，resize擴容方法，擴容目標直接是當前table長度的2倍，完成擴容後需要重新計算當前需要存儲key的hash值和index；
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}createEntry 方法是很簡單鏈表操作，這裏就可以看出Entry實現中next是如何使用的了；
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}resize 擴容方法只會由put和putAll方法觸發調用到，用於當容量達到閥值時增加table大小；首先判斷大小不能超過MAXIMUM_CAPACITY，然後新創建一個數組table，並且判斷是否需要重新hash:沒有切換hash因子 hashSeed就不需要重新hash，應該已存在的key 的hash值不會改變；
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}transfer 方法將原來table的entry轉換到newTable中；無論是否重hash，index都是需要重新索引的，因爲index值是與table長度有關，所以創建新table後長度改變需要重新索引；後面的就是鏈表操作了；
到這裏，添加鍵值對元素的相關主要方法差不多列舉完了，下面繼續看看獲取的方法：
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
} final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}與put方法類似，get的時候先計算hash值，然後計算索引值index，然後在鏈表做順序判斷key值相等的entry
最後我們來看下HashMap是如何實現迭代器的；Map的元素單位是key-value鍵值對，即是Entry，Map的迭代器其實就是Set的迭代器，Map不僅提供EntrySet，而且還區分開了：KeySet、valueSet，內部實現了的迭代器有：EntryIterator，KeyIterator，ValueIterator，而這個三個迭代器都繼承自一個基類：HashIterator:
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K,V> next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot
Entry<K,V> current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
}HashIterat 有4個私有變量：
next：迭代器實例下一個值
current：當前值
expectedModCount：修改值，併發修改快速失敗機制
index：next值在table的索引值
HashIterat 只有一個無參構造函數，創建實例是初始化私有變量：記錄expectedModCount 值，遍歷確認next值和index索引，默認current爲null；
與其他集合類相同，nextEntry、remove 等方法先判斷ModCount值，確認是否在迭代器創建後還發生過修改；nextEntry 方法遍歷找下一個值next,並設置current值爲原next值，放回current；remove就是直接從current獲取到key直接移除這個key的鍵值對；
其他三個迭代器EntryIterator，KeyIterator，ValueIterator，都是隻重寫next方法，簡單返回值：
private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
public V next() {
return nextEntry().value;
}
}
private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
public K next() {
return nextEntry().getKey();
}
}
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}對HashMap的源碼分析從變量、保存、獲取、迭代這幾個方法解析了HashMap的實現，當然源碼不止這一點，其他的方法不再一一列出解析；