JDK1.8对HashMap底层的实现进行了优化，例如引入红黑树的数据结构和扩容的优化等

简介

Java为数据结构中的映射定义了一个接口java.util.Map

1. HashMap：它根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度。

   HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。非线程安全。
   如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap

2. Hashtable：Hashtable是遗留类，很多映射的常用功能与HashMap类似，不同的是它承自Dictionary类。线程安全。并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。

3. LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。

4. TreeMap：TreeMap实现SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。

   在使用TreeMap时，key必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出java.lang.ClassCastException类型的异常。

内部实现

（1） 存储结构-字段

（2） 功能实现-方法

存储结构-字段

HashMap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的。

这里需要讲明白两个问题：数据底层具体存储的是什么？这样的存储方式有什么优点呢？

1. HashMap类中有一个非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶数组

static class Node
    
      implements Map.Entry
     
       {        final int hash;    //用来定位数组索引位置        final K key;        V value;        Node
      
        next;   //链表的下一个node        Node(int hash, K key, V value, Node
       
         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) { ... }}
       
      
     
    

Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。

1. HashMap就是使用哈希表来存储的。Java中HashMap采用了拉链法解决冲突。
   例如程序执行下面代码：

map.put("美团","小美");

系统将调用"美团"这个key的hashCode()方法得到其hashCode 值（该方法适用于每个Java对象），然后再通过Hash算法的后两步运算（高位运算和取模运算，下文有介绍）来定位该键值对的存储位置。

哈希桶数组需要在空间成本和时间成本之间权衡。那么通过什么方式来控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶数组（Node[] table）占用空间又少呢？答案就是好的Hash算法和扩容机制。

HashMap的默认构造函数就是对下面几个字段进行初始化

int threshold;             // 所能容纳的key-value对极限 final float loadFactor;    // 负载因子int modCount;              // 用来记录HashMap内部结构发生变化的次数int size;

Node[] table的初始化长度length(默认值是16)，Load factor为负载因子(默认值是0.75)，threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数。

threshold就是在此Load factor和length(数组长度)对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍。

在HashMap中，哈希桶数组table的长度length大小必须为2的n次方(一定是合数)，这是一种非常规的设计，常规的设计是把桶的大小设计为素数。相对来说素数导致冲突的概率要小于合数[2].

HashMap采用这种非常规设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。

当链表长度太长（默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能。

功能实现-方法

HashMap的内部功能实现很多，本文主要讲述：

1. 根据key获取哈希桶数组索引位置
2. put方法的详细执行
3. 扩容过程

确定哈希桶数组索引位置

先看看源码的实现(方法一+方法二):

方法一：static final int hash(Object key) {   //jdk1.8 & jdk1.7     int h;     // h = key.hashCode() 为第一步 取hashCode值     // h ^ (h >>> 16)  为第二步 高位参与运算     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}方法二：static int indexFor(int h, int length) {  //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的     return h & (length-1);  //第三步 取模运算}

这里的Hash算法本质上就是三步：取key的hashCode值、高位运算、取模运算。

只要它的hashCode()返回值相同，那么程序调用方法一所计算得到的Hash码值总是相同的。我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，模运算的消耗还是比较大的，在HashMap中是这样做的：调用方法二来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处。

而HashMap底层数组的长度总是2的n次方，这是HashMap在速度上的优化。当length总是2的n次方时，h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。

分析HashMap的put方法

JDK1.8HashMap的put方法源码如下:

1 public V put(K key, V value) { 2     // 对key的hashCode()做hash 3     return putVal(hash(key), key, value, false, true); 4 } 5  6 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 7                boolean evict) { 8     Node
    
     [] tab; Node
     
       p; int n, i; 9     // 步骤①：tab为空则创建10     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)11         n = (tab = resize()).length;12     // 步骤②：计算index，并对null做处理 13     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 14         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);15     else {16         Node
      
        e; K k;17         // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value18         if (p.hash == hash &&19             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))20             e = p;21         // 步骤④：判断该链为红黑树22         else if (p instanceof TreeNode)23             e = ((TreeNode
       
        )p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);24         // 步骤⑤：该链为链表25         else {26             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {27                 if ((e = p.next) == null) {28                     p.next = newNode(hash, key,value,null);                        //链表长度大于8转换为红黑树进行处理29                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  30                         treeifyBin(tab, hash);31                     break;32                 }                    // key已经存在直接覆盖value33                 if (e.hash == hash &&34                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                                          break;36                 p = e;37             }38         }39         40         if (e != null) { // existing mapping for key41             V oldValue = e.value;42             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)43                 e.value = value;44             afterNodeAccess(e);45             return oldValue;46         }47     }48     ++modCount;49     // 步骤⑥：超过最大容量 就扩容50     if (++size > threshold)51         resize();52     afterNodeInsertion(evict);53     return null;54 }
       
      
     
    

扩容机制

当然Java里的数组是无法自动扩容的，方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组，就像我们用一个小桶装水，如果想装更多的水，就得换大水桶。

鉴于JDK1.8融入了红黑树，较复杂，为了便于理解我们仍然使用JDK1.7的代码，好理解一些，本质上区别不大，具体区别后文再说。

1 void resize(int newCapacity) {   //传入新的容量 2     Entry[] oldTable = table;    //引用扩容前的Entry数组 3     int oldCapacity = oldTable.length;          4     if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了 5         threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了 6         return; 7     } 8   9     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  //初始化一个新的Entry数组10     transfer(newTable);                         //！！将数据转移到新的Entry数组里11     table = newTable;                           //HashMap的table属性引用新的Entry数组12     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改阈值13 }

transfer()方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。

1 void transfer(Entry[] newTable) { 2     Entry[] src = table;                   //src引用了旧的Entry数组 3     int newCapacity = newTable.length; 4     for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍历旧的Entry数组 5         Entry
    
      e = src[j];             //取得旧Entry数组的每个元素 6         if (e != null) { 7             src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象） 8             do { 9                 Entry
     
       next = e.next;10                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新计算每个元素在数组中的位置11                 e.next = newTable[i]; //标记[1]12                 newTable[i] = e;      //将元素放在数组上13                 e = next;             //访问下一个Entry链上的元素14             } while (e != null);15         }16     }17 }
     
    

同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置

我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了

(这部分并没有完全懂)

线程安全

HashMap在多线程的情况下可能链结构会受到破坏，导致无限循坏(JDK8 可能已经解决)

小结

(1) 扩容是一个特别耗性能的操作，所以当程序员在使用HashMap的时候，估算map的大小，初始化的时候给一个大致的数值，避免map进行频繁的扩容。

(2) 负载因子是可以修改的，也可以大于1，但是建议不要轻易修改，除非情况非常特殊。

(3) HashMap是线程不安全的，不要在并发的环境中同时操作HashMap，建议使用ConcurrentHashMap。

(4) JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能。

参考资料：

1. 美团点评技术团队 Java 8系列之重新认识HashMap
2. 为什么一般hashtable的桶数会取一个素数