參考文獻
引用文獻：深入Java集合學習系列：HashMap的實現原理，大部分參考這篇博客，只對其中進行稍微修改
自己曾經寫過的：Hashmap實現原理
1. HashMap概述：
HashMap是基於哈希表的Map接口的非同步實現（Hashtable跟HashMap很像，唯一的區別是Hashtalbe中的方法是線程安全的，也就是同步的）。此實現提供所有可選的映射操作，並允許使用null值和null鍵。此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。
2. HashMap的數據結構：
在java編程語言中，最基本的結構就是兩種，一個是數組，另外一個是模擬指針（引用），所有的數據結構都可以用這兩個基本結構來構造的，HashMap也不例外。HashMap實際上是一個“鏈表的數組”的數據結構，每個元素存放鏈表頭結點的數組，即數組和鏈表的結合體。
從上圖中可以看出，HashMap底層就是一個數組結構，數組中的每一項又是一個鏈表。當新建一個HashMap的時候，就會初始化一個數組。源碼如下：
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/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */ transient Entry[] table; static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; final int hash; …… }
可以看出，Entry就是數組中的元素，每個 Map.Entry 其實就是一個key-value對，它持有一個指向下一個元素的引用，這就構成了鏈表。
3. HashMap的存取實現：
1) 存儲：
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public V put(K key, V value) { // HashMap允許存放null鍵和null值。 // 當key為null時，調用putForNullKey方法，將value放置在數組第一個位置。 if (key == null) return putForNullKey(value); // 根據key的hashCode重新計算hash值。 int hash = hash(key.hashCode()); // 搜索指定hash值所對應table中的索引。 int i = indexFor(hash, table.length); // 如果 i 索引處的 Entry 不為 null，通過循環不斷遍歷 e 元素的下一個元素。 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; } } // 如果i索引處的Entry為null，表明此處還沒有Entry。 // modCount記錄HashMap中修改結構的次數 modCount++; // 將key、value添加到i索引處。 addEntry(hash, key, value, i); return null; }
從上面的源代碼中可以看出：當我們往HashMap中put元素的時候，先根據key的hashCode重新計算hash值，根據hash值得到這個元素在數組中的位置（即下標），如果數組該位置上已經存放有其他元素了，那么在這個位置上的元素將以鏈表的形式存放，新加入的放在鏈頭，最先加入的放在鏈尾。如果數組該位置上沒有元素，就直接將該元素放到此數組中的該位置上。
addEntry(hash, key, value, i)方法根據計算出的hash值，將key-value對放在數組table的 i 索引處。addEntry 是HashMap 提供的一個包訪問權限的方法（就是沒有public，protected，private這三個訪問權限修飾詞修飾，為默認的訪問權限，用default表示，但在代碼中沒有這個default），代碼如下：
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void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { // 獲取指定 bucketIndex 索引處的 Entry Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // 將新創建的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，並讓新的 Entry 指向原來的 Entry table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); // 如果 Map 中的 key-value 對的數量超過了極限 if (size++ >= threshold) // 把 table 對象的長度擴充到原來的2倍。 resize(2 * table.length); }
當系統決定存儲HashMap中的key-value對時，完全沒有考慮Entry中的value，僅僅只是根據key來計算並決定每個Entry的存儲位置。我們完全可以把 Map 集合中的 value 當成 key 的附屬，當系統決定了 key 的存儲位置之后，value 隨之保存在那里即可。
hash(int h)方法根據key的hashCode重新計算一次散列。此算法加入了高位計算，防止低位不變，高位變化時，造成的hash沖突。
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static int hash(int h) { h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); }
我們可以看到在HashMap中要找到某個元素，需要根據key的hash值來求得對應數組中的位置。如何計算這個位置就是hash算法。前面說過HashMap的數據結構是數組和鏈表的結合，所以我們當然希望這個HashMap里面的 元素位置盡量的分布均勻些，盡量使得每個位置上的元素數量只有一個，那么當我們用hash算法求得這個位置的時候，馬上就可以知道對應位置的元素就是我們要的，而不用再去遍歷鏈表，這樣就大大優化了查詢的效率。
對於任意給定的對象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序調用 hash(int h) 方法所計算得到的 hash 碼值總是相同的。我們首先想到的就是把hash值對數組長度取模運算，這樣一來，元素的分布相對來說是比較均勻的。但是，“模”運算的消耗還是比較大的，在HashMap中是這樣做的：調用 indexFor(int h, int length) 方法來計算該對象應該保存在 table 數組的哪個索引處。indexFor(int h, int length) 方法的代碼如下：
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static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1); }
這個方法非常巧妙，它通過 h & (table.length -1) 來得到該對象的保存位，而HashMap底層數組的長度總是 2 的n 次方，這是HashMap在速度上的優化。在 HashMap 構造器中有如下代碼：
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int capacity = 1; while (capacity < initialCapacity) capacity <<= 1;
這段代碼保證初始化時HashMap的容量總是2的n次方，即底層數組的長度總是為2的n次方。
當length總是 2 的n次方時，h& (length-1)運算等價於對length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
這看上去很簡單，其實比較有玄機的，我們舉個例子來說明：
假設數組長度分別為15和16，優化后的hash碼分別為8和9，那么&運算后的結果如下：
h & (table.length-1) hash table.length-1
8 & (15-1)： 0100 & 1110 = 0100
9 & (15-1)： 0101 & 1110 = 0100
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8 & (16-1)： 0100 & 1111 = 0100
9 & (16-1)： 0101 & 1111 = 0101
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從上面的例子中可以看出：當8、9兩個數和(15-1)2=(1110)進行“與運算&”的時候，產生了相同的結果，都為0100，也就是說它們會定位到數組中的同一個位置上去，這就產生了碰撞，8和9會被放到數組中的同一個位置上形成鏈表，那么查詢的時候就需要遍歷這個鏈 表，得到8或者9，這樣就降低了查詢的效率。同時，我們也可以發現，當數組長度為15的時候，hash值會與(15-1)2=(1110)進行“與運算&”，那么最后一位永遠是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101這幾個位置永遠都不能存放元素了，空間浪費相當大，更糟的是這種情況中，數組可以使用的位置比數組長度小了很多，這意味着進一步增加了碰撞的幾率，減慢了查詢的效率！
而當數組長度為16時，即為2的n次方時，2n-1得到的二進制數的每個位上的值都為1（比如(24-1)2=1111），這使得在低位上&時，得到的和原hash的低位相同，加之hash(int h)方法對key的hashCode的進一步優化，加入了高位計算，就使得只有相同的hash值的兩個值才會被放到數組中的同一個位置上形成鏈表。
所以說，當數組長度為2的n次冪的時候，不同的key算得得index相同的幾率較小，那么數據在數組上分布就比較均勻，也就是說碰撞的幾率小，相對的，查詢的時候就不用遍歷某個位置上的鏈表，這樣查詢效率也就較高了。
根據上面 put 方法的源代碼可以看出，當程序試圖將一個key-value對放入HashMap中時，程序首先根據該 key的 hashCode() 返回值決定該 Entry 的存儲位置：如果兩個 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它們的存儲位置相同。如果這兩個 Entry 的 key 通過 equals 比較返回 true，新添加 Entry 的 value 將覆蓋集合中原有Entry 的 value，但key不會覆蓋。如果這兩個 Entry 的 key 通過 equals 比較返回 false，新添加的 Entry 將與集合中原有 Entry 形成 Entry 鏈，而且新添加的 Entry 位於 Entry 鏈的頭部——具體說明繼續看 addEntry() 方法的說明。
2) 讀取：
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public V get(Object key) { if (key == null) return getForNullKey(); int hash = hash(key.hashCode()); 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.equals(k))) return e.value; } return null; }
有了上面存儲時的hash算法作為基礎，理解起來這段代碼就很容易了。從上面的源代碼中可以看出：從HashMap中get元素時，首先計算key的hashCode，找到數組中對應位置的某一元素，然后通過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素。
3) 歸納起來簡單地說，HashMap 在底層將 key-value 當成一個整體進行處理，這個整體就是一個 Entry 對象。HashMap 底層采用一個 Entry[] 數組來保存所有的 key-value 對，當需要存儲一個 Entry 對象時，會根據hash算法來決定其在數組中的存儲位置，在根據equals方法決定其在該數組位置上的鏈表中的存儲位置；當需要取出一個Entry時，也會根據hash算法找到其在數組中的存儲位置，再根據equals方法從該位置上的鏈表中取出該Entry。
4. HashMap的resize（rehash）：
當HashMap中的元素越來越多的時候，hash沖突的幾率也就越來越高，因為數組的長度是固定的。所以為了提高查詢的效率，就要對HashMap的數組進行擴容，數組擴容這個操作也會出現在ArrayList中，這是一個常用的操作，而在HashMap數組擴容之后，最消耗性能的點就出現了：原數組中的數據必須重新計算其在新數組中的位置，並放進去，這就是resize。
那么HashMap什么時候進行擴容呢？當HashMap中的元素個數超過數組大小*loadFactor時，就會進行數組擴容，loadFactor的默認值為0.75，這是一個折中的取值。也就是說，默認情況下，數組大小為16，那么當HashMap中元素個數超過16*0.75=12（這個值就是代碼中的threshold值，也叫做臨界值）的時候，就把數組的大小擴展為 2*16=32，即擴大一倍，然后重新計算每個元素在數組中的位置，而這是一個非常消耗性能的操作，所以如果我們已經預知HashMap中元素的個數，那么預設元素的個數能夠有效的提高HashMap的性能。
HashMap擴容的代碼如下所示：
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//HashMap數組擴容 void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; //如果當前的數組長度已經達到最大值，則不在進行調整 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } //根據傳入參數的長度定義新的數組 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //按照新的規則，將舊數組中的元素轉移到新數組中 transfer(newTable); table = newTable; //更新臨界值 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); } //舊數組中元素往新數組中遷移 void transfer(Entry[] newTable) { //舊數組 Entry[] src = table; //新數組長度 int newCapacity = newTable.length; //遍歷舊數組 for (int j = 0; j < src.length; j++) { Entry<K,V> e = src[j]; if (e != null) { src[j] = null; do { Entry<K,V> next = e.next; int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } } }
5.HashMap的性能參數：
HashMap 包含如下幾個構造器：
- HashMap()：構建一個初始容量為 16，負載因子為 0.75 的 HashMap。
- HashMap(int initialCapacity)：構建一個初始容量為 initialCapacity，負載因子為 0.75 的 HashMap。
- HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的負載因子創建一個 HashMap。
- HashMap的基礎構造器HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)帶有兩個參數，它們是初始容量initialCapacity和加載因子loadFactor。
- initialCapacity：HashMap的最大容量，即為底層數組的長度。
- loadFactor：負載因子loadFactor定義為：散列表的實際元素數目(n)/ 散列表的容量(m)。
負載因子衡量的是一個散列表的空間的使用程度，負載因子越大表示散列表的裝填程度越高，反之愈小。對於使用鏈表法的散列表來說，查找一個元素的平均時間是O(1+a)，因此如果負載因子越大，對空間的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果負載因子太小，那么散列表的數據將過於稀疏，對空間造成嚴重浪費。
HashMap的實現中，通過threshold字段來判斷HashMap的最大容量：
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此loadFactor和capacity對應下允許的最大元素數目，超過這個數目就重新resize，以降低實際的負載因子（也就是說雖然數組長度是capacity，但其擴容的臨界值確是threshold）。默認的的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇。當容量超出此最大容量時， resize后的HashMap容量是容量的兩倍：
if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length);
6.Fail-Fast機制：
我們知道java.util.HashMap不是線程安全的，因此如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了map，那么將拋出ConcurrentModificationException，這就是所謂fail-fast策略。（這個在core java這本書中也有提到。）
這一策略在源碼中的實現是通過modCount域，modCount顧名思義就是修改次數，對HashMap內容的修改都將增加這個值，那么在迭代器初始化過程中會將這個值賦給迭代器的expectedModCount。
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HashIterator() { expectedModCount = modCount; if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } }
在迭代過程中，判斷modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已經有其他線程修改了Map：
注意到modCount聲明為volatile，保證線程之間修改的可見性。（volatile之所以線程安全是因為被volatile修飾的變量不保存緩存，直接在內存中修改，因此能夠保證線程之間修改的可見性）。
final Entry<K,V> nextEntry() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException();
在HashMap的API中指出：
由所有HashMap類的“collection 視圖方法”所返回的迭代器都是快速失敗的：在迭代器創建之后，如果從結構上對映射進行修改，除非通過迭代器本身的 remove 方法，其他任何時間任何方式的修改，迭代器都將拋出ConcurrentModificationException。因此，面對並發的修改，迭代器很快就會完全失敗，而不保證在將來不確定的時間發生任意不確定行為的風險。
注意，迭代器的快速失敗行為不能得到保證，一般來說，存在非同步的並發修改時，不可能作出任何堅決的保證。快速失敗迭代器盡最大努力拋出 ConcurrentModificationException。因此，編寫依賴於此異常的程序的做法是錯誤的，正確做法是：迭代器的快速失敗行為應該僅用於檢測程序錯誤。
參考資料：
JDK API HashMap
HashMap 源代碼