深入剖析HashMap應用原理

Hashing(散列法或哈希法)的概念
散列法（Hashing）是一種將字符組成的字符串轉換爲固定長度（一般是更短長度）的數值或索引值的方法，稱爲散列法，也叫哈希法。由於通過更短的哈希值比用原始值進行數據庫搜索更快，這種方法一般用來在數據庫中建立索引並進行搜索，同時還用在各種解密算法中。
HashMap概念和底層結構
HashMap是基於哈希表的Map接口的非同步實現。此實現提供所有可選的映射操作，並允許使用null值和null鍵。HashMap儲存的是鍵值對，HashMap很快。此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。
HashMap實際上是一個“鏈表散列”的數據結構，即數組和鏈表的結合體。
數組：存儲區間連續，佔用內存嚴重，尋址容易，插入刪除困難；
鏈表：存儲區間離散，佔用內存比較寬鬆，尋址困難，插入刪除容易；
Hashmap綜合應用了這兩種數據結構，實現了尋址容易，插入刪除也容易。
hashMap的結構示意圖如下：

HashMap的基本存儲原理以及存儲內容的組成
基本原理：先聲明一個下標範圍比較大的數組來存儲元素。另外設計一個哈希函數（也叫做散列函數）來獲得每一個元素的Key（關鍵字）的函數值（即數組下標，hash值）相對應，數組存儲的元素是一個Entry類，這個類有三個數據域，key、value（鍵值對），next(指向下一個Entry)。
例如， 第一個鍵值對A進來。通過計算其key的hash得到的index=0。記做:Entry[0] = A。
第二個鍵值對B，通過計算其index也等於0， HashMap會將B.next =A,Entry[0] =B,
第三個鍵值對 C,index也等於0,那麼C.next = B,Entry[0] = C；這樣我們發現index=0的地方事實上存取了A,B,C三個鍵值對,它們通過next這個屬性鏈接在一起。我們可以將這個地方稱爲桶。 對於不同的元素，可能計算出了相同的函數值，這樣就產生了“衝突”，這就需要解決衝突，“直接定址”與“解決衝突”是哈希表的兩大特點。
HashMap的工作原理以及存取方法過程
HashMap的工作原理 ：HashMap是基於散列法（又稱哈希法hashing）的原理，使用put(key, value)存儲對象到HashMap中，使用get(key)從HashMap中獲取對象。當我們給put()方法傳遞鍵和值時，我們先對鍵調用hashCode()方法，返回的hashCode用於找到bucket（桶）位置來儲存Entry對象。”HashMap是在bucket中儲存鍵對象和值對象，作爲Map.Entry。並不是僅僅只在bucket中存儲值。
HashMap具體的存取過程如下：
put鍵值對的方法的過程是：
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。
get值方法的過程是:
1、指定key 通過hash函數得到key的hash值
int hash=key.hashCode();
2、調用內部方法 getNode()，得到桶號(一般都爲hash值對桶數求模)
int index =hash%Entry[].length;
3、比較桶的內部元素是否與key相等，若都不相等，則沒有找到。相等，則取出相等記錄的value。
4、如果得到 key 所在的桶的頭結點恰好是紅黑樹節點，就調用紅黑樹節點的 getTreeNode() 方法，否則就遍歷鏈表節點。getTreeNode 方法使通過調用樹形節點的 find()方法進行查找。由於之前添加時已經保證這個樹是有序的，因此查找時基本就是折半查找，效率很高。
5、如果對比節點的哈希值和要查找的哈希值相等，就會判斷 key 是否相等，相等就直接返回；不相等就從子樹中遞歸查找。
HashMap中直接地址用hash函數生成；解決衝突，用比較函數解決。如果每個桶內部只有一個元素，那麼查找的時候只有一次比較。當許多桶內沒有值時，許多查詢就會更快了(指查不到的時候)。
HashMap中的碰撞探測(collision detection)以及碰撞的解決方法
當兩個對象的hashcode相同時，它們的bucket位置相同，‘碰撞’會發生。因爲HashMap使用LinkedList存儲對象，這個Entry(包含有鍵值對的Map.Entry對象)會存儲在LinkedList中。這兩個對象就算hashcode相同，但是它們可能並不相等。 那如何獲取這兩個對象的值呢？當我們調用get()方法，HashMap會使用鍵對象的hashcode找到bucket位置，遍歷LinkedList直到找到值對象。找到bucket位置之後，會調用keys.equals()方法去找到LinkedList中正確的節點，最終找到要找的值對象使用不可變的、聲明作final的對象，並且採用合適的equals()和hashCode()方法的話，將會減少碰撞的發生，提高效率。不可變性使得能夠緩存不同鍵的hashcode，這將提高整個獲取對象的速度，使用String，Interger這樣的wrapper類作爲鍵是非常好的選擇。
如何重新調整HashMap的大小
“如果HashMap的大小超過了負載因子(load factor)定義的容量，怎麼辦？”
默認的負載因子大小爲0.75，也就是說，當一個map填滿了75%的bucket時候，和其它集合類(如ArrayList等)一樣，將會創建原來HashMap大小的兩倍的bucket數組，來重新調整map的大小，並將原來的對象放入新的bucket數組中。這個過程叫作rehashing，因爲它調用hash方法找到新的bucket位置。
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