引言--面试常见的问题
问：“你用过HashMap，你能跟我说说它吗？”
“当然用过，HashMap是一种的存储结构，能够快速将key的数据put方式存储起来，然后很快的通过get取出来”，然后说“HashMap不是线程安全的， 答：HashTable是线程安全的，通过synchronized实现的。HashMap取值非常快”等等。这个时候说明他已经很熟练使用HashMap的工具了。
问：“你知道HashMap 在put和get的时候是怎么工作的吗？”
答：“HashMap是通过key计算出Hash值，然后将这个Hash值映射到对象的引用上，get的时候先计算key的hash值，然后找到对象”。这个时候已经显得不自信了。
问：“HashMap的key为什么一般用字符串比较多，能用其他对象，或者自定义的对象吗？为什么？”
答：“这个没研究过，一般习惯用String。”
问：“你刚才提到HashMap不是线程安全的，你怎么理解线程安全。原理是什么？几种方式避免线程安全的问题。”
答：“线程安全就是多个线程去访问的时候，会对对象造成不是预期的结果，一般要加锁才能线程安全。”HashMap的面试问题能够考察面试者的线程问题、Java内存模型问题、线程可见与不可变问题、Hash计算问题、链表结构问题、二进制的&、|、<<、>>等问题。所以一个HashMap就能考验一个人的技术功底了。
一、数据结构
HashMap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下所示
// Node<K,V> 类用来实现数组及链表的数据结构
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; //保存节点的 hash 值
final K key; //保存节点的 key 值
V value; //保存节点的 value 值
Node<K,V> next; //指向链表结构下的当前节点的 next 节点，红黑树 TreeNode 节点中也有用到
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
public final K getKey() { }
public final V getValue() { }
public final String toString() { }
public final int hashCode() { }
public final V setValue(V newValue) { }
public final boolean equals(Object o) { }
}
public class LinkedHashMap<K,V> {
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
}
// TreeNode<K,V> 继承 LinkedHashMap.Entry<K,V>，用来实现红黑树相关的存储结构
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // 存储当前节点的父节点
TreeNode<K,V> left; //存储当前节点的左孩子
TreeNode<K,V> right; //存储当前节点的右孩子
TreeNode<K,V> prev; // 存储当前节点的前一个节点
boolean red; // 存储当前节点的颜色（红、黑）
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
final TreeNode<K,V> root() { }
static <K,V> void moveRootToFront(Node<K,V>[] tab, TreeNode<K,V> root) { }
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) { }
final void treeify(Node<K,V>[] tab) { }
final Node<K,V> untreeify(HashMap<K,V> map) { }
final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,int h, K k, V v) { }
final void removeTreeNode(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, boolean movable) { }
final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) { }
/* ------------------------------------------------------------ */
// Red-black tree methods, all adapted from CLR
// 红黑树相关操作
static <K,V> TreeNode<K,V> rotateLeft(TreeNode<K,V> root,TreeNode<K,V> p) {}
static <K,V> TreeNode<K,V> rotateRight(TreeNode<K,V> root,TreeNode<K,V> p) { }
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceInsertion(TreeNode<K,V> root, TreeNode<K,V> x) {}
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceDeletion(TreeNode<K,V> root,TreeNode<K,V> x) {}
static <K,V> boolean checkInvariants(TreeNode<K,V> t) {}
}
二、成员属性
//创建 HashMap 时未指定初始容量情况下的默认容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//HashMap 的最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//HashMap 默认的装载因子,当 HashMap 中元素数量超过 容量*装载因子 时，进行 resize() 操作
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//用来确定何时将解决 hash 冲突的链表转变为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 用来确定何时将解决 hash 冲突的红黑树转变为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/* 当需要将解决 hash 冲突的链表转变为红黑树时，需要判断下此时数组容量，若是由于数组容量太小（小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY ）导致的 hash 冲突太多，则不进行链表转变为红黑树操作，转为利用 resize() 函数对 hashMap 扩容 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//保存Node<K,V>节点的数组
transient Node<K,V>[] table;
//由 hashMap 中 Node<K,V> 节点构成的 set
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//记录 hashMap 当前存储的元素的数量
transient int size;
//记录 hashMap 发生结构性变化的次数（注意 value 的覆盖不属于结构性变化）
transient int modCount;
//threshold的值应等于 table.length * loadFactor, size 超过这个值时进行 resize()扩容
int threshold;
//记录 hashMap 装载因子
final float loadFactor;
1、loadFactor参数
如果内存富余，那么建议把loadFactor设置的小一点，但是要注意初始size的设置，如果不合适会导致频繁的 resize 严重影响插入的效率。
如果内存比较吃紧，就可以把loadFactor设置的大一些，但是loadFactor设置大的话，键值对以链表的形式存储的概率就提高，平均的查询时间变慢，但是对于插入而言，虽然没有直接的影响，但是loadFactor提高，
三、构造方法
//构造方法１，指定初始容量及装载因子
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;
/* tableSizeFor(initialCapacity) 方法返回的值是最接近 initialCapacity 的2的幂，若指定初始容量为９，则实际 hashMap 容量为16*/
//注意此种方法创建的 hashMap 初始容量的值存在 threshold 中
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//tableSizeFor(initialCapacity) 方法返回的值是最接近 initialCapacity 的2的幂
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;// >>> 代表无符号右移
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
//构造方法２，仅指定初始容量，装载因子的值采用默认的 0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//构造方法３，所有参数均采用默认值
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
四、put方法
当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hashCode重新计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾，数组中存储的是最后插入的元素 。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, //这里onlyIfAbsent表示只有在该key对应原来的value为null的时候才插入，也就是说如果value之前存在了，就不会被新put的元素覆盖。
boolean evict) { //evict参数用于LinkedHashMap中的尾部操作，这里没有实际意义。
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //定义变量tab是将要操作的Node数组引用，p表示tab上的某Node节点，n为tab的长度，i为tab的下标。
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //判断当table为null或者tab的长度为0时，即table尚未初始化，此时通过resize()方法得到初始化的table。
n = (tab = resize()).length; //这种情况是可能发生的，HashMap的注释中提到：The table, initialized on first use, and resized as necessary。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //此处通过（n - 1） & hash 计算出的值作为tab的下标i，并另p表示tab[i]，也就是该链表第一个节点的位置。并判断p是否为null。
tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //当p为null时，表明tab[i]上没有任何元素，那么接下来就new第一个Node节点，调用newNode方法返回新节点赋值给tab[i]。
else { //下面进入p不为null的情况，有三种情况：p为链表节点；p为红黑树节点；p是链表节点但长度为临界长度TREEIFY_THRESHOLD，再插入任何元素就要变成红黑树了。
Node<K,V> e; K k; //定义e引用即将插入的Node节点，并且下文可以看出 k = p.key。
if (p.hash == hash && //HashMap中判断key相同的条件是key的hash相同，并且符合equals方法。这里判断了p.key是否和插入的key相等，如果相等，则将p的引用赋给e。
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //这一步的判断其实是属于一种特殊情况，即HashMap中已经存在了key，于是插入操作就不需要了，只要把原来的value覆盖就可以了。
e = p; //这里为什么要把p赋值给e，而不是直接覆盖原值呢？答案很简单，现在我们只判断了第一个节点，后面还可能出现key相同，所以需要在最后一并处理。
else if (p instanceof TreeNode) //现在开始了第一种情况，p是红黑树节点，那么肯定插入后仍然是红黑树节点，所以我们直接强制转型p后调用TreeNode.putTreeVal方法，返回的引用赋给e。
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); //你可能好奇，这里怎么不遍历tree看看有没有key相同的节点呢？其实，putTreeVal内部进行了遍历，存在相同hash时返回被覆盖的TreeNode，否则返回null。
else { //接下里就是p为链表节点的情形，也就是上述说的另外两类情况：插入后还是链表/插入后转红黑树。另外，上行转型代码也说明了TreeNode是Node的一个子类。
for (int binCount = 0; ; ++binCount) { //我们需要一个计数器来计算当前链表的元素个数，并遍历链表，binCount就是这个计数器。
if ((e = p.next) == null) { //遍历过程中当发现p.next为null时，说明链表到头了，直接在p的后面插入新的链表节点，即把新节点的引用赋给p.next，插入操作就完成了。注意此时e赋给p。
p.next = newNode(hash, key, value, null); //最后一个参数为新节点的next，这里传入null，保证了新节点继续为该链表的末端。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st //插入成功后，要判断是否需要转换为红黑树，因为插入后链表长度加1，而binCount并不包含新节点，所以判断时要将临界阈值减1。
treeifyBin(tab, hash); //当新长度满足转换条件时，调用treeifyBin方法，将该链表转换为红黑树。
break; //当然如果不满足转换条件，那么插入数据后结构也无需变动，所有插入操作也到此结束了，break退出即可。
}
if (e.hash == hash && //在遍历链表的过程中，我之前提到了，有可能遍历到与插入的key相同的节点，此时只要将这个节点引用赋值给e，最后通过e去把新的value覆盖掉就可以了。
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //老样子判断当前遍历的节点的key是否相同。
break; //找到了相同key的节点，那么插入操作也不需要了，直接break退出循环进行最后的value覆盖操作。
p = e; //在第21行我提到过，e是当前遍历的节点p的下一个节点，p = e 就是依次遍历链表的核心语句。每次循环时p都是下一个node节点。
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key //左边注释为jdk自带注释，说的很明白了，针对已经存在key的情况做处理。
V oldValue = e.value; //定义oldValue，即原存在的节点e的value值。
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //前面提到，onlyIfAbsent表示存在key相同时不做覆盖处理，这里作为判断条件，可以看出当onlyIfAbsent为false或者oldValue为null时，进行覆盖操作。
e.value = value; //覆盖操作，将原节点e上的value设置为插入的新value。
afterNodeAccess(e); //这个函数在hashmap中没有任何操作，是个空函数，他存在主要是为了linkedHashMap的一些后续处理工作。
return oldValue; //这里很有意思，他返回的是被覆盖的oldValue。我们在使用put方法时很少用他的返回值，甚至忘了它的存在，这里我们知道，他返回的是被覆盖的oldValue。
}
}
++modCount; //收尾工作，值得一提的是，对key相同而覆盖oldValue的情况，在前面已经return，不会执行这里，所以那一类情况不算数据结构变化，并不改变modCount值。
if (++size > threshold) //同理，覆盖oldValue时显然没有新元素添加，除此之外都新增了一个元素，这里++size并与threshold判断是否达到了扩容标准。
resize(); //当HashMap中存在的node节点大于threshold时，hashmap进行扩容。
afterNodeInsertion(evict); //这里与前面的afterNodeAccess同理，是用于linkedHashMap的尾部操作，HashMap中并无实际意义。1
return null; //最终，对于真正进行插入元素的情况，put函数一律返回null。
}
①.判断键值对数组table[i]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是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。
五、resize方法
// Initializes or doubles table size，两倍扩容并初始化table
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0; // 新容量，新阀值
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab; //到达极限，无法扩容
}
else if((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold阀值
}
// oldCap=0 ,oldThr>0，threshold(新的扩容resize临界值)
else if (oldThr > 0)
newCap = oldThr; //新容量=旧阀值（扩容临界值）
else { // oldCap=0 ,oldThr=0，调用默认值来初始化
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr=(int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr== 0) { //新阀值为0，则需要计算新的阀值
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr; //设置新的阀值
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; //创建新的桶
table = newTab;
// table初始化,bucket copy到新bucket，分链表和红黑树
if (oldTab != null) { // 不为空则挨个copy，影响效率！！！
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) { //先赋值再判断
oldTab[j] = null; //置null，主动GC
//如果该桶只有一个元素，重新计算桶位，则直接赋到新的桶里面
if (e.next == null)
//1.6的indexFor，计算key;tableSizeFor性能优化
newTab[e.hash &(newCap - 1)]= e; //hash&(length-1)
else if (e instanceof TreeNode) // 红黑树
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { //链表，preserve order保持顺序
//一个桶中有多个元素，遍历将它们移到新的bucket或原bucket
Node<K,V> loHead = null,loTail = null;//lo原bucket的链表指针
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;//hi新bucket的链表指针
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {//还放在原来的桶
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e; //更新尾指针
}
else {//放在新桶
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null); //
if (loTail != null) { //原bucket位置的尾指针不为空(即还有node)
loTail.next = null; //链表最后得有个null
newTab[j] = loHead;//链表头指针放在新桶的相同下标(j)处
}
if (hiTail != null) { //放在桶 j+oldCap
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;//j+oldCap见下
}
}
}
}
}
return newTab;
}
六、treeifyBin方法
// 转化为树节点
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
/*int n, index; Node<K,V> e;
// 如果hash为空，或者键值对总数不够，则扩容
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
// 加入的node不为空
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
// 该循环把原本的单向链表，改成使用红黑树节点链接的双向链表
do {
// 单向链表节点转化为红黑树节点
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
// 此处类似构造一个双向链表
if (tl == null)
// hd为头节点
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
// 遍历单向链表
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}*/
}
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