Note:文章的內容基於JDK1.7進行分析。1.8做的改動文章末尾進行講解。
一、先來熟悉一下我們常用的HashMap:
1、概述
HashMap基於Map接口實現，元素以鍵值對的方式存儲，並且允許使用null 建和null 值， 因為key不允許重復，因此只能有一個鍵為null,另外HashMap不能保證放入元素的順序，它是無序的，和放入的順序並不能相同。HashMap是線程不安全的。
2、繼承關系
public class HashMap<K,V>extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
3、基本屬性
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默認初始化大小 16 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //負載因子0.75 static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {}; //初始化的默認數組 transient int size; //HashMap中元素的數量 int threshold; //判斷是否需要調整HashMap的容量
Note：HashMap的擴容操作是一項很耗時的任務，所以如果能估算Map的容量，最好給它一個默認初始值，避免進行多次擴容。HashMap的線程是不安全的，多線程環境中推薦是ConcurrentHashMap。
二、常被問到的HashMap和Hashtable的區別
1、線程安全
兩者最主要的區別在於Hashtable是線程安全，而HashMap則非線程安全。
Hashtable的實現方法里面都添加了synchronized關鍵字來確保線程同步，因此相對而言HashMap性能會高一些，我們平時使用時若無特殊需求建議使用HashMap，在多線程環境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來獲取一個線程安全的集合。
Note：
Collections.synchronizedMap()實現原理是Collections定義了一個SynchronizedMap的內部類，這個類實現了Map接口，在調用方法時使用synchronized來保證線程同步,當然了實際上操作的還是我們傳入的HashMap實例，簡單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們在操作HashMap時自動添加了synchronized來實現線程同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理。
2、針對null的不同
HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key
雖說HashMap支持null值作為key，不過建議還是盡量避免這樣使用，因為一旦不小心使用了，若因此引發一些問題，排查起來很是費事。
Note：HashMap以null作為key時，總是存儲在table數組的第一個節點上。
3、繼承結構
HashMap是對Map接口的實現，HashTable實現了Map接口和Dictionary抽象類。
4、初始容量與擴容
HashMap的初始容量為16，Hashtable初始容量為11，兩者的填充因子默認都是0.75。
HashMap擴容時是當前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable擴容時是容量翻倍+1即:capacity*2+1。
5、兩者計算hash的方法不同
Hashtable計算hash是直接使用key的hashcode對table數組的長度直接進行取模
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
HashMap計算hash對key的hashcode進行了二次hash，以獲得更好的散列值，然后對table數組長度取摸。
int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); static int hash(int h) { // This function ensures that hashCodes that differ only by // constant multiples at each bit position have a bounded // number of collisions (approximately 8 at default load factor). h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); } static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1);
三、HashMap的數據存儲結構
1、HashMap由數組和鏈表來實現對數據的存儲
HashMap采用Entry數組來存儲key-value對，每一個鍵值對組成了一個Entry實體，Entry類實際上是一個單向的鏈表結構，它具有Next指針，可以連接下一個Entry實體，以此來解決Hash沖突的問題。
數組存儲區間是連續的，占用內存嚴重，故空間復雜的很大。但數組的二分查找時間復雜度小，為O(1)；數組的特點是：尋址容易，插入和刪除困難；
鏈表存儲區間離散，占用內存比較寬松，故空間復雜度很小，但時間復雜度很大，達O（N）。鏈表的特點是：尋址困難，插入和刪除容易。
從上圖我們可以發現數據結構由數組+鏈表組成，一個長度為16的數組中，每個元素存儲的是一個鏈表的頭結點。那么這些元素是按照什么樣的規則存儲到數組中呢。一般情況是通過hash(key.hashCode())%len獲得，也就是元素的key的哈希值對數組長度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存儲在數組下標為12的位置。
HashMap里面實現一個靜態內部類Entry，其重要的屬性有 hash，key，value，next。
HashMap里面用到鏈式數據結構的一個概念。上面我們提到過Entry類里面有一個next屬性，作用是指向下一個Entry。打個比方， 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。一會后又進來一個鍵值對B，通過計算其index也等於0，現在怎么辦？HashMap會這樣做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又進來C,index也等於0,那么C.next = B,Entry[0] = C；這樣我們發現index=0的地方其實存取了A,B,C三個鍵值對,他們通過next這個屬性鏈接在一起。所以疑問不用擔心。也就是說數組中存儲的是最后插入的元素。到這里為止，HashMap的大致實現，我們應該已經清楚了。
public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); //null總是放在數組的第一個鏈表中 int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); //遍歷鏈表 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; //如果key在鏈表中已存在，則替換為新value if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); return null; } void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //參數e, 是Entry.next //如果size超過threshold，則擴充table大小。再散列 if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length); }
四、重要方法深度解析
1、構造方法
HashMap() //無參構造方法 HashMap(int initialCapacity) //指定初始容量的構造方法 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) //指定初始容量和負載因子 HashMap(Map<? extends K,? extends V> m) //指定集合，轉化為HashMap
HashMap提供了四個構造方法，構造方法中 ，依靠第三個方法來執行的，但是前三個方法都沒有進行數組的初始化操作，即使調用了構造方法此時存放HaspMap中數組元素的table表長度依舊為0 。在第四個構造方法中調用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作，並將m中的元素添加到HashMap中。
2、添加方法
public V put(K key, V value) { if (table == EMPTY_TABLE) { //是否初始化 inflateTable(threshold); } if (key == null) //放置在0號位置 return putForNullKey(value); int hash = hash(key); //計算hash值 int i = indexFor(hash, table.length); //計算在Entry[]中的存儲位置 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; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); //添加到Map中 return null; }
3、addEntry()
/* * hash hash值 * key 鍵值 * value value值 * bucketIndex Entry[]數組中的存儲索引 * / void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length); //擴容操作，將數據元素重新計算位置后放入newTable中，鏈表的順序與之前的順序相反 hash = (null != key) ? hash(key) : 0; bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex); } void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); size++; }
4、獲取方法：get
public V get(Object key) { if (key == null) //返回table[0] 的value值 return getForNullKey(); Entry<K,V> entry = getEntry(key); return null == entry ? null : entry.getValue(); } final Entry<K,V> getEntry(Object key) { if (size == 0) { return null; } int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); 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 != null && key.equals(k)))) return e; } return null; }
在get方法中，首先計算hash值，然后調用indexFor()方法得到該key在table中的存儲位置，得到該位置的單鏈表，遍歷列表找到key和指定key內容相等的Entry，返回entry.value值。
5、刪除方法
public V remove(Object key) { Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key); return (e == null ? null : e.value); } final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) { if (size == 0) { return null; } int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); Entry<K,V> prev = table[i]; Entry<K,V> e = prev; while (e != null) { Entry<K,V> next = e.next; Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { modCount++; size--; if (prev == e) table[i] = next; else prev.next = next; e.recordRemoval(this); return e; } prev = e; e = next; } return e; }
刪除操作，先計算指定key的hash值，然后計算出table中的存儲位置，判斷當前位置是否Entry實體存在，如果沒有直接返回，若當前位置有Entry實體存在，則開始遍歷列表。定義了三個Entry引用，分別為pre, e ,next。 在循環遍歷的過程中，首先判斷pre 和 e 是否相等，若相等表明，table的當前位置只有一個元素，直接將table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的連接關系，判斷e的key是否和指定的key 相等，若相等則讓pre -> next ,e 失去引用。
6、containsKey
public boolean containsKey(Object key) { return getEntry(key) != null; } final Entry<K,V> getEntry(Object key) { int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k)))) return e; } return null; }
containsKey方法是先計算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值，遍歷table[index]元素查找是否包含key相同的值。
7、containsValue
public boolean containsValue(Object value) { if (value == null) return containsNullValue(); Entry[] tab = table; for (int i = 0; i < tab.length ; i++) for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) if (value.equals(e.value)) return true; return false; }
containsValue方法就比較粗暴了，就是直接遍歷所有元素直到找到value，由此可見HashMap的containsValue方法本質上和普通數組和list的contains方法沒什么區別，你別指望它會像containsKey那么高效。
五、JDK 1.8的 改變
1、HashMap采用數組+鏈表+紅黑樹實現。
在Jdk1.8中HashMap的實現方式做了一些改變，但是基本思想還是沒有變得，只是在一些地方做了優化，下面來看一下這些改變的地方,數據結構的存儲由數組+鏈表的方式，變化為數組+鏈表+紅黑樹的存儲方式，當鏈表長度超過閾值（8）時，將鏈表轉換為紅黑樹。在性能上進一步得到提升。
2、put方法簡單解析：
public V put(K key, V value) { //調用putVal()方法完成 return putVal(hash(key), key, value, false, true); } final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //判斷table是否初始化，否則初始化操作 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //計算存儲的索引位置，如果沒有元素，直接賦值 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k; //節點若已經存在，執行賦值操作 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //判斷鏈表是否是紅黑樹 else if (p instanceof TreeNode) //紅黑樹對象操作 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { //為鏈表， for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); //鏈表長度8，將鏈表轉化為紅黑樹存儲 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } //key存在，直接覆蓋 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } //記錄修改次數 ++modCount; //判斷是否需要擴容 if (++size > threshold) resize(); //空操作 afterNodeInsertion(evict); return null; }
如果存在key節點，返回舊值，如果不存在則返回Null。