集合是Java開發日常開發中經常會使用到的，而作爲一種典型的K-V結構的數據結構，HashMap對於Java開發者一定不陌生。
在日常開發中，我們經常會像如下方式以下創建一個HashMap：
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
但是，大家有沒有想過，上面的代碼中，我們並沒有給HashMap指定容量，那麼，這時候一個新創建的HashMap的默認容量是多少呢？爲什麼呢？
本文就來分析下這個問題。
什麼是容量
在Java中，保存數據有兩種比較簡單的數據結構：數組和鏈表。數組的特點是：尋址容易，插入和刪除困難；而鏈表的特點是：尋址困難，插入和刪除容易。HashMap就是將數組和鏈表組合在一起，發揮了兩者的優勢，我們可以將其理解爲鏈表的數組。
在HashMap中，有兩個比較容易混淆的關鍵字段：size和capacity ，這其中capacity就是Map的容量，而size我們稱之爲Map中的元素個數。
簡單打個比方你就更容易理解了：HashMap就是一個“桶”，那麼容量（capacity）就是這個桶當前最多可以裝多少元素，而元素個數（size）表示這個桶已經裝了多少元素。
如以下代碼：
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("hollis", "hollischuang");
Class<?> mapType = map.getClass();
Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
capacity.setAccessible(true);
System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));
Field size = mapType.getDeclaredField("size");
size.setAccessible(true);
System.out.println("size : " + size.get(map));
輸出結果：
capacity : 16、size : 1
上面我們定義了一個新的HashMap，並向其中put了一個元素，然後通過反射的方式打印capacity和size，其容量是16，已經存放的元素個數是1。
通過前面的例子，我們發現了，當我們創建一個HashMap的時候，如果沒有指定其容量，那麼會得到一個默認容量爲16的Map，那麼，這個容量是怎麼來的呢？又爲什麼是這個數字呢？
容量與哈希
要想講清楚這個默認容量的緣由，我們要首先要知道這個容量有什麼用？
我們知道，容量就是一個HashMap中"桶"的個數，那麼，當我們想要往一個HashMap中put一個元素的時候，需要通過一定的算法計算出應該把他放到哪個桶中，這個過程就叫做哈希（hash），對應的就是HashMap中的hash方法。
我們知道，hash方法的功能是根據Key來定位這個K-V在鏈表數組中的位置的。也就是hash方法的輸入應該是個Object類型的Key，輸出應該是個int類型的數組下標。如果讓你設計這個方法，你會怎麼做？
其實簡單，我們只要調用Object對象的hashCode()方法，該方法會返回一個整數，然後用這個數對HashMap的容量進行取模就行了。
如果真的是這麼簡單的話，那HashMap的容量設置就會簡單很多了，但是考慮到效率等問題，HashMap的hash方法實現還是有一定的複雜的。
hash的實現
接下來就介紹下HashMap中hash方法的實現原理。
具體實現上，由兩個方法int hash(Object k)和int indexFor(int h, int length)來實現。
hash ：該方法主要是將Object轉換成一個整型。
indexFor ：該方法主要是將hash生成的整型轉換成鏈表數組中的下標。
爲了聚焦本文的重點，我們只來看一下indexFor方法。我們先來看下Java 7（Java8中雖然沒有這樣一個單獨的方法，但是查詢下標的算法也是和Java 7一樣的）中該實現細節：
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
indexFor方法其實主要是將hashcode換成鏈表數組中的下標。其中的兩個參數h表示元素的hashcode值，length表示HashMap的容量。那麼return h & (length-1) 是什麼意思呢？
其實，他就是取模。Java之所有使用位運算(&)來代替取模運算(%)，最主要的考慮就是效率。
位運算(&)效率要比代替取模運算(%)高很多，主要原因是位運算直接對內存數據進行操作，不需要轉成十進制，因此處理速度非常快。
那麼，爲什麼可以使用位運算(&)來實現取模運算(%)呢？這實現的原理如下：
X % 2^n = X & (2^n – 1)
假設n爲3，則2^3 = 8，表示成2進制就是1000。2^3 -1 = 7 ，即0111。
此時X & (2^3 – 1) 就相當於取X的2進制的最後三位數。
從2進制角度來看，X / 8相當於 X >> 3，即把X右移3位，此時得到了X / 8的商，而被移掉的部分(後三位)，則是X % 8，也就是餘數。
上面的解釋不知道你有沒有看懂，沒看懂的話其實也沒關係，你只需要記住這個技巧就可以了。或者你可以找幾個例子試一下。
6 % 8 = 6 ，6 & 7 = 6
10 & 8 = 2 ，10 & 7 = 2
運算過程如下如：
所以，return h & (length-1);只要保證length的長度是2^n 的話，就可以實現取模運算了。
所以，因爲位運算直接對內存數據進行操作，不需要轉成十進制，所以位運算要比取模運算的效率更高，所以HashMap在計算元素要存放在數組中的index的時候，使用位運算代替了取模運算。之所以可以做等價代替，前提是要求HashMap的容量一定要是2^n 。
那麼，既然是2^n ，爲啥一定要是16呢？爲什麼不能是4、8或者32呢？
關於這個默認容量的選擇，JDK並沒有給出官方解釋，筆者也沒有在網上找到關於這個任何有價值的資料。（如果哪位有相關的權威資料或者想法，可以留言交流）
根據作者的推斷，這應該就是個經驗值（Experience Value），既然一定要設置一個默認的2^n 作爲初始值，那麼就需要在效率和內存使用上做一個權衡。這個值既不能太小，也不能太大。
太小了就有可能頻繁發生擴容，影響效率。太大了又浪費空間，不划算。
所以，16就作爲一個經驗值被採用了。
在JDK 8中，關於默認容量的定義爲：static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 ，其故意把16寫成1<<4，就是提醒開發者，這個地方要是2的冪。值得玩味的是：註釋中的aka 16 也是1.8中新增的，
那麼，接下來我們再來談談，HashMap是如何保證其容量一定可以是2^n 的呢？如果用戶自己設置了的話又會怎麼樣呢？
關於這部分，HashMap在兩個可能改變其容量的地方都做了兼容處理，分別是指定容量初始化時以及擴容時。
指定容量初始化
當我們通過HashMap(int initialCapacity)設置初始容量的時候，HashMap並不一定會直接採用我們傳入的數值，而是經過計算，得到一個新值，目的是提高hash的效率。(1->1、3->4、7->8、9->16)
在JDK 1.7和JDK 1.8中，HashMap初始化這個容量的時機不同。JDK 1.8中，在調用HashMap的構造函數定義HashMap的時候，就會進行容量的設定。而在JDK 1.7中，要等到第一次put操作時才進行這一操作。
看一下JDK是如何找到比傳入的指定值大的第一個2的冪的：
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;
上面的算法目的挺簡單，就是：根據用戶傳入的容量值（代碼中的cap），通過計算，得到第一個比他大的2的冪並返回。
請關注上面的幾個例子中，藍色字體部分的變化情況，或許你會發現些規律。5->8、9->16、19->32、37->64都是主要經過了兩個階段。
Step 1，5->7
Step 2，7->8
Step 1，9->15
Step 2，15->16
Step 1，19->31
Step 2，31->32
對應到以上代碼中，Step1：
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
對應到以上代碼中，Step2：
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
Step 2 比較簡單，就是做一下極限值的判斷，然後把Step 1得到的數值+1。
Step 1 怎麼理解呢？其實是對一個二進制數依次向右移位，然後與原值取或。其目的對於一個數字的二進制，從第一個不爲0的位開始，把後面的所有位都設置成1。
隨便拿一個二進制數，套一遍上面的公式就發現其目的了：
1100 1100 1100 >>>1 = 0110 0110 0110
1100 1100 1100 | 0110 0110 0110 = 1110 1110 1110
1110 1110 1110 >>>2 = 0011 1011 1011
1110 1110 1110 | 0011 1011 1011 = 1111 1111 1111
1111 1111 1111 >>>4 = 1111 1111 1111
1111 1111 1111 | 1111 1111 1111 = 1111 1111 111
通過幾次無符號右移和按位或運算，我們把1100 1100 1100轉換成了1111 1111 1111 ，再把1111 1111 1111加1，就得到了1 0000 0000 0000，這就是大於1100 1100 1100的第一個2的冪。
好了，我們現在解釋清楚了Step 1和Step 2的代碼。就是可以把一個數轉化成第一個比他自身大的2的冪。
但是還有一種特殊情況套用以上公式不行，這些數字就是2的冪自身。
總之，HashMap根據用戶傳入的初始化容量，利用無符號右移和按位或運算等方式計算出第一個大於該數的2的冪。
擴容
除了初始化的時候會指定HashMap的容量，在進行擴容的時候，其容量也可能會改變。
HashMap有擴容機制，就是當達到擴容條件時會進行擴容。HashMap的擴容條件就是當HashMap中的元素個數（size）超過臨界值（threshold）時就會自動擴容。
在HashMap中，threshold = loadFactor * capacity。
loadFactor是裝載因子，表示HashMap滿的程度，默認值爲0.75f，設置成0.75有一個好處，那就是0.75正好是3/4，而capacity又是2的冪。所以，兩個數的乘積都是整數。
對於一個默認的HashMap來說，默認情況下，當其size大於12(16*0.75)時就會觸發擴容。
下面是HashMap中的擴容方法(resize)中的一段：
if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
從上面代碼可以看出，擴容後的table大小變爲原來的兩倍，這一步執行之後，就會進行擴容後table的調整，這部分非本文重點，省略。
可見，當HashMap中的元素個數（size）超過臨界值（threshold）時就會自動擴容，擴容成原容量的2倍，即從16擴容到32、64、128 …
所以，通過保證初始化容量均爲2的冪，並且擴容時也是擴容到之前容量的2倍，所以，保證了HashMap的容量永遠都是2的冪。
總結
HashMap作爲一種數據結構，元素在put的過程中需要進行hash運算，目的是計算出該元素存放在hashMap中的具體位置。
hash運算的過程其實就是對目標元素的Key進行hashcode，再對Map的容量進行取模，而JDK 的工程師爲了提升取模的效率，使用位運算代替了取模運算，這就要求Map的容量一定得是2的冪。
而作爲默認容量，太大和太小都不合適，所以16就作爲一個比較合適的經驗值被採用了。
爲了保證任何情況下Map的容量都是2的冪，HashMap在兩個地方都做了限制。
首先是，如果用戶制定了初始容量，那麼HashMap會計算出比該數大的第一個2的冪作爲初始容量。
另外，在擴容的時候，也是進行成倍的擴容，即4變成8，8變成16。
本文，通過分析爲什麼HashMap的默認容量是16，我們深入HashMap的原理，分析了下背後的原理，從代碼中我們可以發現，JDK 的工程師把各種位運算運用到了極致，想盡各種辦法優化效率。值得我們學習！