【JDK1.8】HashMap源碼詳解：

一、HashMap概述

      在JDK1.8之前，HashMap採用數組+鏈表實現，即使用鏈表處理衝突，同一hash值的節點都存儲在一個鏈表裏。但是當位於一個桶中的元素較多，即hash值相等的元素較多時，通過key值依次查找的效率較低。而JDK1.8中，HashMap採用數組+鏈表+紅黑樹實現，當鏈表長度超過閾值（8）時，將鏈表轉換爲紅黑樹，這樣大大減少了查找時間。

      下圖中代表jdk1.8之前的hashmap結構，左邊部分即代表哈希表，也稱爲哈希數組，數組的每個元素都是一個單鏈表的頭節點，鏈表是用來解決衝突的，如果不同的key映射到了數組的同一位置處，就將其放入單鏈表中。

                jdk1.8之前hashmap結構圖

     jdk1.8之前的hashmap都採用上圖的結構，都是基於一個數組和多個單鏈表，hash值衝突的時候，就將對應節點以鏈表的形式存儲。如果在一個鏈表中查找其中一個節點時，將會花費O（n）的查找時間，會有很大的性能損失。到了jdk1.8，當同一個hash值的節點數不小於8時，不再採用單鏈表形式存儲，而是採用紅黑樹，如下圖所示。

                                                        jdk1.8 hashmap結構圖

說明：上圖很形象的展示了HashMap的數據結構（數組+鏈表+紅黑樹），桶中的結構可能是鏈表，也可能是紅黑樹，紅黑樹的引入是爲了提高效率。

二、涉及到的數據結構：處理hash衝突的鏈表和紅黑樹以及位桶

1、鏈表的實現

Node是HashMap的一個內部類，實現了Map.Entry接口，本質是就是一個映射(鍵值對)。上圖中的每個黑色圓點就是一個Node對象。來看具體代碼：

//Node是單向鏈表，它實現了Map.Entry接口
static class Node<k,v> implements Map.Entry<k,v> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<k,v> next;
    //構造函數Hash值 鍵 值 下一個節點
    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()        { return key; }
    public final V getValue()      { return value; }
    public final String toString() { return key + = + value; }
 
    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
    }
 
    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }
    //判斷兩個node是否相等,若key和value都相等，返回true。可以與自身比較爲true
    public final boolean equals(Object o) {
        if (o == this)
            return true;
        if (o instanceof Map.Entry) {
            Map.Entry<!--?,?--> e = (Map.Entry<!--?,?-->)o;
            if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                Objects.equals(value, e.getValue()))
                return true;
        }
        return false;
    }
}

可以看到，node中包含一個next變量，這個就是鏈表的關鍵點，hash結果相同的元素就是通過這個next進行關聯的。

2、紅黑樹

//紅黑樹
static final class TreeNode<k,v> extends LinkedHashMap.Entry<k,v> {
    TreeNode<k,v> parent;  // 父節點
    TreeNode<k,v> left; //左子樹
    TreeNode<k,v> right;//右子樹
    TreeNode<k,v> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;    //顏色屬性
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<k,v> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }
 
    //返回當前節點的根節點
    final TreeNode<k,v> root() {
        for (TreeNode<k,v> r = this, p;;) {
            if ((p = r.parent) == null)
                return r;
            r = p;
        }
    }
}

紅黑樹比鏈表多了四個變量，parent父節點、left左節點、right右節點、prev上一個同級節點，紅黑樹內容較多，不在贅述。

3、位桶

transient Node<k,v>[] table;//存儲（位桶）的數組

HashMap類中有一個非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶數組，明顯它是一個Node的數組。

     有了以上3個數據結構，只要有一點數據結構基礎的人，都可以大致聯想到HashMap的實現了。首先有一個每個元素都是鏈表（可能表述不準確）的數組，當添加一個元素（key-value）時，就首先計算元素key的hash值，以此確定插入數組中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已經被放在數組同一位置了，這時就添加到同一hash值的元素的後面，他們在數組的同一位置，但是形成了鏈表，所以說數組存放的是鏈表。而當鏈表長度太長時，鏈表就轉換爲紅黑樹，這樣大大提高了查找的效率。

三、HashMap源碼分析

1、類的繼承關係

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

     可以看到HashMap繼承自父類（AbstractMap），實現了Map、Cloneable、Serializable接口。其中，Map接口定義了一組通用的操作；Cloneable接口則表示可以進行拷貝，在HashMap中，實現的是淺層次拷貝，即對拷貝對象的改變會影響被拷貝的對象；Serializable接口表示HashMap實現了序列化，即可以將HashMap對象保存至本地，之後可以恢復狀態。

2、類的屬性

	public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    // 序列號
    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
    // 默認的初始容量是16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
    // 最大容量
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
    // 默認的填充因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    // 當桶(bucket)上的結點數大於這個值時會轉成紅黑樹
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
    // 當桶(bucket)上的結點數小於這個值時樹轉鏈表
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    // 桶中結構轉化爲紅黑樹對應的table的最小大小
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    // 存儲元素的數組，總是2的冪次倍
    transient Node<k,v>[] table; 
    // 存放具體元素的集
    transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
    // 存放元素的個數，注意這個不等於數組的長度。
    transient int size;
    // 每次擴容和更改map結構的計數器
    transient int modCount;   
    // 臨界值 當實際大小(容量*填充因子)超過臨界值時，會進行擴容
    int threshold;
    // 填充因子
    final float loadFactor;
}

說明：類的數據成員很重要，以上也解釋得很詳細了。

3、類的構造函數

（1）HashMap(int, float)型構造函數

	public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    // 初始容量不能小於0，否則報錯
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                            initialCapacity);
    // 初始容量不能大於最大值，否則爲最大值
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    // 填充因子不能小於或等於0，不能爲非數字
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                            loadFactor);
    // 初始化填充因子                                        
    this.loadFactor = loadFactor;
    // 初始化threshold大小
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);    
}

說明：tableSizeFor(initialCapacity)返回大於initialCapacity的最小的二次冪數值。

	static final int tableSizeFor(int cap) {
    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;
}

說明：>>> 操作符表示無符號右移，高位取0。

（2）HashMap(int)型構造函數。

	public HashMap(int initialCapacity) {
    // 調用HashMap(int, float)型構造函數
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

（3）HashMap()型構造函數。

	public HashMap() {
    // 初始化填充因子
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
}

（4）HashMap(Map<? extends K>)型構造函數。

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    // 初始化填充因子
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    // 將m中的所有元素添加至HashMap中
    putMapEntries(m, false);
}

說明：putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict)函數將m的所有元素存入本HashMap實例中。　

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        // 判斷table是否已經初始化
        if (table == null) { // pre-size
            // 未初始化，s爲m的實際元素個數
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                    (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            // 計算得到的t大於閾值，則初始化閾值
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 已初始化，並且m元素個數大於閾值，進行擴容處理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 將m中的所有元素添加至HashMap中
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}

4、hash算法

在JDK 1.8中，hash方法如下：

	static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

（1）首先獲取對象的hashCode()值，然後將hashCode值右移16位，然後將右移後的值與原來的hashCode做異或運算，返回結果。（其中h>>>16，在JDK1.8中，優化了高位運算的算法，使用了零擴展，無論正數還是負數，都在高位插入0）。

（2）在putVal源碼中，我們通過(n-1)&hash獲取該對象的鍵在hashmap中的位置。（其中hash的值就是（1）中獲得的值）其中n表示的是hash桶數組的長度，並且該長度爲2的n次方，這樣(n-1)&hash就等價於hash%n。因爲&運算的效率高於%運算。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                boolean evict) {
    ...

    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//獲取位置
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    ...
}

      tab即是table，n是map集合的容量大小，hash是上面方法的返回值。因爲通常聲明map集合時不會指定大小，或者初始化的時候就創建一個容量很大的map對象，所以這個通過容量大小與key值進行hash的算法在開始的時候只會對低位進行計算，雖然容量的2進制高位一開始都是0，但是key的2進制高位通常是有值的，因此先在hash方法中將key的hashCode右移16位在與自身異或，使得高位也可以參與hash，更大程度上減少了碰撞率。

下面舉例說明下，n爲table的長度。

5、重要方法分析

（1）putVal方法

首先說明，HashMap並沒有直接提供putVal接口給用戶調用，而是提供的put方法，而put方法就是通過putVal來插入元素的。

public V put(K key, V value) {
    // 對key的hashCode()做hash 
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);  
}

putVal方法執行過程可以通過下圖來理解：

①.判斷鍵值對數組table[i]是否爲空或爲null，否則執行resize()進行擴容；

②.根據鍵值key計算hash值得到插入的數組索引i，如果table[i]==null，直接新建節點添加，轉向⑥，如果table[i]不爲空，轉向③；

③.判斷table[i]的首個元素是否和key一樣，如果相同直接覆蓋value，否則轉向④，這裏的相同指的是hashCode以及equals；

④.判斷table[i] 是否爲treeNode，即table[i] 是否是紅黑樹，如果是紅黑樹，則直接在樹中插入鍵值對，否則轉向⑤；

⑤.遍歷table[i]，判斷鏈表長度是否大於8，大於8的話把鏈表轉換爲紅黑樹，在紅黑樹中執行插入操作，否則進行鏈表的插入操作；遍歷過程中若發現key已經存在直接覆蓋value即可；

⑥.插入成功後，判斷實際存在的鍵值對數量size是否超多了最大容量threshold，如果超過，進行擴容。

具體源碼如下：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // 步驟①：tab爲空則創建 
    // table未初始化或者長度爲0，進行擴容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 步驟②：計算index，並對null做處理  
    // (n - 1) & hash 確定元素存放在哪個桶中，桶爲空，新生成結點放入桶中(此時，這個結點是放在數組中)
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 桶中已經存在元素
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 步驟③：節點key存在，直接覆蓋value 
        // 比較桶中第一個元素(數組中的結點)的hash值相等，key相等
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 將第一個元素賦值給e，用e來記錄
                e = p;
        // 步驟④：判斷該鏈爲紅黑樹 
        // hash值不相等，即key不相等；爲紅黑樹結點
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入樹中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 步驟⑤：該鏈爲鏈表 
        // 爲鏈表結點
        else {
            // 在鏈表最末插入結點
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 到達鏈表的尾部
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 在尾部插入新結點
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 結點數量達到閾值，轉化爲紅黑樹
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 跳出循環
                    break;
                }
                // 判斷鏈表中結點的key值與插入的元素的key值是否相等
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 相等，跳出循環
                    break;
                // 用於遍歷桶中的鏈表，與前面的e = p.next組合，可以遍歷鏈表
                p = e;
            }
        }
        // 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結點
        if (e != null) { 
            // 記錄e的value
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent爲false或者舊值爲null
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                //用新值替換舊值
                e.value = value;
            // 訪問後回調
            afterNodeAccess(e);
            // 返回舊值
            return oldValue;
        }
    }
    // 結構性修改
    ++modCount;
    // 步驟⑥：超過最大容量 就擴容 
    // 實際大小大於閾值則擴容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入後回調
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

HashMap的數據存儲實現原理

流程：

1. 根據key計算得到key.hash = (h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)；

2. 根據key.hash計算得到桶數組的索引index = key.hash & (table.length - 1)，這樣就找到該key的存放位置了：

① 如果該位置沒有數據，用該數據新生成一個節點保存新數據，返回null；

② 如果該位置有數據是一個紅黑樹，那麼執行相應的插入 / 更新操作；

③ 如果該位置有數據是一個鏈表，分兩種情況一是該鏈表沒有這個節點，另一個是該鏈表上有這個節點，注意這裏判斷的依據是key.hash是否一樣：

如果該鏈表沒有這個節點，那麼採用尾插法新增節點保存新數據，返回null；如果該鏈表已經有這個節點了，那麼找到該節點並更新新數據，返回老數據。

注意：

HashMap的put會返回key的上一次保存的數據，比如：

<p>HashMap&lt;String, String&gt; map = new HashMap&lt;String, String&gt;();<br>
System.out.println(map.put("a", "A")); // 打印null<br>
System.out.println(map.put("a", "AA")); // 打印A<br>
System.out.println(map.put("a", "AB")); // 打印AA</p>

（2）getNode方法

說明：HashMap同樣並沒有直接提供getNode接口給用戶調用，而是提供的get方法，而get方法就是通過getNode來取得元素的。

public V get(Object key) {
    Node<k,v> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

	final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    // table已經初始化，長度大於0，根據hash尋找table中的項也不爲空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 桶中第一項(數組元素)相等
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 桶中不止一個結點
        if ((e = first.next) != null) {
            // 爲紅黑樹結點
            if (first instanceof TreeNode)
                // 在紅黑樹中查找
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            // 否則，在鏈表中查找
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

（3）resize方法

①.在jdk1.8中，resize方法是在hashmap中的鍵值對大於閥值時或者初始化時，就調用resize方法進行擴容；

②.每次擴展的時候，都是擴展2倍；

③.擴展後Node對象的位置要麼在原位置，要麼移動到原偏移量兩倍的位置。

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;//oldTab指向hash桶數組
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {//如果oldCap不爲空的話，就是hash桶數組不爲空
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//如果大於最大容量了，就賦值爲整數最大的閥值
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;//返回
        }//如果當前hash桶數組的長度在擴容後仍然小於最大容量 並且oldCap大於默認值16
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold 雙倍擴容閥值threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];//新建hash桶數組
    table = newTab;//將新數組的值複製給舊的hash桶數組
    if (oldTab != null) {//進行擴容操作，複製Node對象值到新的hash桶數組
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {//如果舊的hash桶數組在j結點處不爲空，複製給e
                oldTab[j] = null;//將舊的hash桶數組在j結點處設置爲空，方便gc
                if (e.next == null)//如果e後面沒有Node結點
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//直接對e的hash值對新的數組長度求模獲得存儲位置
                else if (e instanceof TreeNode)//如果e是紅黑樹的類型，那麼添加到紅黑樹中
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;//將Node結點的next賦值給next
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {//如果結點e的hash值與原hash桶數組的長度作與運算爲0
                            if (loTail == null)//如果loTail爲null
                                loHead = e;//將e結點賦值給loHead
                            else
                                loTail.next = e;//否則將e賦值給loTail.next
                            loTail = e;//然後將e複製給loTail
                        }
                        else {//如果結點e的hash值與原hash桶數組的長度作與運算不爲0
                            if (hiTail == null)//如果hiTail爲null
                                hiHead = e;//將e賦值給hiHead
                            else
                                hiTail.next = e;//如果hiTail不爲空，將e複製給hiTail.next
                            hiTail = e;//將e複製個hiTail
                        }
                    } while ((e = next) != null);//直到e爲空
                    if (loTail != null) {//如果loTail不爲空
                        loTail.next = null;//將loTail.next設置爲空
                        newTab[j] = loHead;//將loHead賦值給新的hash桶數組[j]處
                    }
                    if (hiTail != null) {//如果hiTail不爲空
                        hiTail.next = null;//將hiTail.next賦值爲空
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;//將hiHead賦值給新的hash桶數組[j+舊hash桶數組長度]
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}