簡介：
HashMap：
具有很快的訪問速度，但遍歷順序卻是不確定的。
HashMap最多只允許一條記錄的鍵為null，允許多條記錄的值為null。
HashMap非線程安全，即任一時刻可以有多個線程同時寫HashMap，可能會導致數據的不一致。
HashMap的線程不安全主要體現在resize時的死循環及使用迭代器時的fast-fail上。
如果需要滿足線程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有線程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。
Hashtable：
Hashtable是遺留類，與HashMap類似，不同的是它承自Dictionary類，並且是線程安全的。
並發性不如ConcurrentHashMap，因為ConcurrentHashMap引入了分段鎖。
Hashtable不建議在新代碼中使用，不需要線程安全的場合可以用HashMap替換，需要線程安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換。
LinkedHashMap：
LinkedHashMap是HashMap的一個子類，保存了記錄的插入順序，在用Iterator遍歷LinkedHashMap時，先得到的記錄肯定是先插入的，也可以在構造時帶參數，按照訪問次序排序。
TreeMap：
TreeMap實現SortedMap接口，能夠把它保存的記錄根據鍵排序，默認是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，
當用Iterator遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。如果使用排序的映射，建議使用TreeMap。
存儲結構：
位桶數組：
transient Node<k,v>[] table;
數組元素Node<K,V>：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; //用來定位數組索引位置 final K key; V value; Node<K,V> next; //鏈表的下一個node Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> 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) { ... } }
hash沖突：
開放地址法：Hi=(H(key)+di) MOD m i=1,2,…,k(k<=m-1)，m為哈希表的表長。di 是產生沖突的時候的增量序列。
如果di取1，則每次沖突之后，向后移動1個位置。
如果di值可能為1,2,3,…m-1，稱線性探測再散列。
如果di取值可能為1,-1,2,-2,4,-4,9,-9,16,-16,…k*k,-k*k(k<=m/2)，稱二次探測再散列。
如果di取值可能為偽隨機數列。稱偽隨機探測再散列。
鏈地址法：講沖突的對象鏈在同一鏈表中。
再哈希法：當發生沖突時，使用第二個、第三個、哈希函數計算地址，直到無沖突時。
建立一個公共溢出區：就是把沖突的都放在另一個地方，不在表里面。
Java中HashMap采用了鏈地址法。
在每個數組元素上都有一個鏈表結構，當數據被Hash后，得到數組下標，把數據放在對應下標元素的鏈表上。
數據域：
public class HashMap<k,v> extends AbstractMap<k,v> implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable { private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//填充比 //當add一個元素到某個位桶，其鏈表長度達到8時將鏈表轉換為紅黑樹 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; transient Node<k,v>[] table;//存儲元素的數組 transient Set<map.entry<k,v>> entrySet; transient int size;//存放元素的個數 transient int modCount;//被修改的次數fast-fail機制 int threshold;//臨界值 當實際大小(容量*填充比)超過臨界值時，會進行擴容 final float loadFactor;//填充比（......后面略）
Node<k,v>[] table的初始化長度length(默認值是16)。
length大小必須為2的n次方，主要是為了在取模和擴容時做優化，同時為了減少沖突。可以用hash&（len-1）的方式代替hash%len。
Load factor：為負載因子(默認值是0.75)。
threshold：是HashMap所能容納的最大數據量的Node(鍵值對)個數。threshold = length * Load factor。
size：是HashMap中實際存在的鍵值對數量。
modCount：主要用來記錄HashMap內部結構發生變化的次數，用於迭代的快速失敗。（覆蓋值不屬於結構變化）
確定索引位置：
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
Hash算法本質上就是三步：取key的hashCode值、高位運算、取模運算。
高位運算：通過hashCode()的高16位異或低16位實現
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。
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。
put方法：
1 public V put(K key, V value) { 2 return putVal(hash(key), key, value, false, true); 3 } 4 5 // 第三個參數 onlyIfAbsent 如果是 true，那么只有在不存在該 key 時才會進行 put 操作 6 // 第四個參數 evict 我們這里不關心 7 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 8 boolean evict) { 9 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; 10 // 第一次 put 值的時候，會觸發下面的 resize()，類似 java7 的第一次 put 也要初始化數組長度 11 // 第一次 resize 和后續的擴容有些不一樣，因為這次是數組從 null 初始化到默認的 16 或自定義的初始容量 12 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 13 n = (tab = resize()).length; 14 // 找到具體的數組下標，如果此位置沒有值，那么直接初始化一下 Node 並放置在這個位置就可以了 15 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 16 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 17 18 else {// 數組該位置有數據 19 Node<K,V> e; K k; 20 // 首先，判斷該位置的第一個數據和我們要插入的數據，key 是不是"相等"，如果是，取出這個節點 21 if (p.hash == hash && 22 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 23 e = p; 24 // 如果該節點是代表紅黑樹的節點，調用紅黑樹的插值方法，本文不展開說紅黑樹 25 else if (p instanceof TreeNode) 26 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 27 else { 28 // 到這里，說明數組該位置上是一個鏈表 29 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 30 // 插入到鏈表的最后面(Java7 是插入到鏈表的最前面) 31 if ((e = p.next) == null) { 32 p.next = newNode(hash, key, value, null); 33 // TREEIFY_THRESHOLD 為 8，所以，如果新插入的值是鏈表中的第 9 個 34 // 會觸發下面的 treeifyBin，也就是將鏈表轉換為紅黑樹 35 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 36 treeifyBin(tab, hash); 37 break; 38 } 39 // 如果在該鏈表中找到了"相等"的 key(== 或 equals) 40 if (e.hash == hash && 41 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 42 // 此時 break，那么 e 為鏈表中[與要插入的新值的 key "相等"]的 node 43 break; 44 p = e; 45 } 46 } 47 // e!=null 說明存在舊值的key與要插入的key"相等" 48 // 對於我們分析的put操作，下面這個 if 其實就是進行 "值覆蓋"，然后返回舊值 49 if (e != null) { 50 V oldValue = e.value; 51 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 52 e.value = value; 53 afterNodeAccess(e); 54 return oldValue; 55 } 56 } 57 ++modCount; 58 // 如果 HashMap 由於新插入這個值導致 size 已經超過了閾值，需要進行擴容 59 if (++size > threshold) 60 resize(); 61 afterNodeInsertion(evict); 62 return null; 63 }
java7中，新節點插入到鏈表頭部，而java8是插入到鏈表尾部。
Java7是先擴容后插入新值的，Java8 先插值再擴容。
擴容機制：
jdk1.7代碼：
1 void resize(int newCapacity) { //傳入新的容量 2 Entry[] oldTable = table; //引用擴容前的Entry數組 3 int oldCapacity = oldTable.length; 4 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //擴容前的數組大小如果已經達到最大(2^30)了 5 threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改閾值為int的最大值(2^31-1)，這樣以后就不會擴容了 6 return; 7 } 8 9 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //初始化一個新的Entry數組 10 transfer(newTable); //！！將數據轉移到新的Entry數組里 11 table = newTable; //HashMap的table屬性引用新的Entry數組 12 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改閾值 13 }
1 void transfer(Entry[] newTable) { 2 Entry[] src = table; //src引用了舊的Entry數組 3 int newCapacity = newTable.length; 4 for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍歷舊的Entry數組 5 Entry<K,V> e = src[j]; //取得舊Entry數組的每個元素 6 if (e != null) { 7 src[j] = null;//釋放舊Entry數組的對象引用（for循環后，舊的Entry數組不再引用任何對象） 8 do { 9 Entry<K,V> next = e.next; 10 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新計算每個元素在數組中的位置 11 e.next = newTable[i]; //標記[1] 12 newTable[i] = e; //將元素放在數組上 13 e = next; //訪問下一個Entry鏈上的元素 14 } while (e != null); 15 } 16 } 17 }
newTable[i]的引用賦給了e.next，也就是使用了單鏈表的頭插入方式，同一位置上新元素總會被放在鏈表的頭部位置；
這樣先放在一個索引上的元素終會被放到Entry鏈的尾部(如果發生了hash沖突的話），這一點和Jdk1.8有區別
1.7在並發情況下resize，可能會形成循環鏈表。
Jdk1.8所做的優化：
我們使用的是2次冪的擴展(指長度擴為原來2倍)，所以，元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移動2次冪的位置。
元素在重新計算hash之后，因為n變為2倍，那么n-1的mask范圍在高位多1bit(紅色)，因此新的index就會發生這樣的變化：
因此，我們在擴充HashMap的時候，不需要像JDK1.7的實現那樣重新計算hash，只需要看看原來的hash值新增的那個bit是1還是0就好了，
是0的話索引沒變，是1的話索引變成“原索引+oldCap（擴容前的容量）”，可以看看下圖為16擴充為32的resize示意圖：
1.8的優化，省去了hash的時間，而且擴容后，元素的順序不會變，1.7由於用的頭插法所以會倒置
jdk1.8的代碼：
1 final Node<K,V>[] resize() { 2 Node<K,V>[] oldTab = table; 3 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; 4 int oldThr = threshold; 5 int newCap, newThr = 0; 6 if (oldCap > 0) { 7 // 超過最大值就不再擴充了，就只好隨你碰撞去吧 8 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 9 threshold = Integer.MAX_VALUE; 10 return oldTab; 11 } 12 // 沒超過最大值，就擴充為原來的2倍 13 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && 14 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) 15 newThr = oldThr << 1; // double threshold 16 } 17 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold 18 newCap = oldThr; 19 else { // zero initial threshold signifies using defaults 20 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; 21 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); 22 } 23 // 計算新的resize上限 24 if (newThr == 0) { 25 26 float ft = (float)newCap * loadFactor; 27 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? 28 (int)ft : Integer.MAX_VALUE); 29 } 30 threshold = newThr; 31 @SuppressWarnings({"rawtypes"，"unchecked"}) 32 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; 33 table = newTab; 34 if (oldTab != null) { 35 // 把每個bucket都移動到新的buckets中 36 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 37 Node<K,V> e; 38 if ((e = oldTab[j]) != null) { 39 oldTab[j] = null; 40 if (e.next == null) 41 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; 42 else if (e instanceof TreeNode) 43 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); 44 else { // 鏈表優化重hash的代碼塊 45 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; 46 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; 47 Node<K,V> next; 48 do { 49 next = e.next; 50 // 原索引 51 if ((e.hash & oldCap) == 0) { 52 if (loTail == null) 53 loHead = e; 54 else 55 loTail.next = e; 56 loTail = e; 57 } 58 // 原索引+oldCap 59 else { 60 if (hiTail == null) 61 hiHead = e; 62 else 63 hiTail.next = e; 64 hiTail = e; 65 } 66 } while ((e = next) != null); 67 // 原索引放到bucket里 68 if (loTail != null) { 69 loTail.next = null; 70 newTab[j] = loHead; 71 } 72 // 原索引+oldCap放到bucket里 73 if (hiTail != null) { 74 hiTail.next = null; 75 newTab[j + oldCap] = hiHead; 76 } 77 } 78 } 79 } 80 } 81 return newTab; 82 }
小結：
擴容是一個特別耗性能的操作，所以當程序員在使用HashMap的時候，估算map的大小，初始化的時候給一個大致的數值，避免map進行頻繁的擴容。
負載因子是可以修改的，也可以大於1，但是建議不要輕易修改，除非情況非常特殊。
HashMap是線程不安全的，不要在並發的環境中同時操作HashMap，建議使用ConcurrentHashMap。
JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的性能。
參考：https://tech.meituan.com/java-hashmap.html