硬核HashMap源码分析，HashMap文章中的*

一 前言

本篇是继硬核ArrayList源码分析，答应我每天看一遍好么之后进行的第二篇源码分析；学完本篇你将对hashMap的结构和方法有个全面的了解；面试自己有多强，超人都不知道；比如HashMap的扩容机制，最大容量是多少，HashMap链表是如何转到红黑树，HashMap为什么线程不安全，HashMap的key,value是否能null值等等；

知识追寻者(Inheriting the spirit of open source, Spreading technology knowledge;)

二 源码分析

2.1 官方说明实践

• 官方说HashMap实现了Map接口，拥有所有的Map操作；并且允许key,value都为null；实践一下是不是这样子；

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>();
        map.put(null,null);
        System.out.println(map);//{null=null}
    }

果然如此没有报错；再加一个null的key和value看看；不贴代码啊了，最终输出还是一个{null=null}；说明HashMap的key是唯一的；？怎么保证key唯一后面继续分析；

• 继续看官方说明，HashMap与HashTable不同之处是，HashMap不同步，HashTable不允许key，value为null；实践一下

    public static void main(String[] args) {
        Hashtable hashtable = new Hashtable();
        hashtable.put(null,null);
    }

控制台红了啊！！！输出内容如下，震惊，HashTable的key，value真的不能为null；

{null=null}Exception in thread "main" 
java.lang.NullPointerException
	at java.util.Hashtable.put(Hashtable.java:459)
	at test.HashMapTest.main(HashMapTest.java:17)

Process finished with exit code 1

点击源码看看，HashTable的put方法特大号的Make开头确保key,value不能为null，synchronized修饰；人生值得怀疑一下，因为知识追寻者以前都没用过Hashtable耍代码；

    public synchronized V put(K key, V value) {
        // Make sure the value is not null
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        // Makes sure the key is not already in the hashtable.
        Entry<?,?> tab[] = table;
        int hash = key.hashCode();
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

• 继续看官方说明，HashMap无法保证Map中内容的顺序；再次动手实践一下，如果如此，到底啥原有让map顺序不一致呢？后续分析

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("清晨","娃哭了");
        map.put("中午","娃饿了");
        map.put("晚上","娃不想睡觉了");
        System.out.println(map);//{中午=娃饿了, 晚上=娃不想睡觉了, 清晨=娃哭了}
    }

后续的官方说明就不是单单能几句话可以描述的懂了，开胃菜完毕，还是看看具体的源码吧，复习的时候记得看下小技巧Tip；

Tip:

HashMap允许key和value都为null;key具有唯一性；

HashMap与HashTable不同之处是，HashMap不同步，HashTable不允许key，value为null；

HashMap无法保证Map中内容的顺序

2.2 空参构造方法分析

测试代码

   public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>();
    }

构造方法源码如下，发行HashMap 的加载因子loadFactor 的值是默认值0.75；

  public HashMap() {//默认因子DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75；初始化容量为16
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

走了一遍父类如下

HashMap --> AbstractMap --> Object

看下HashMap的父类图谱，结构倒是很简单对吧；

看到这边，知识追寻者有2个疑问

问题一 ： 负载因子0.75是什么？

问题二：初始化容量16在哪里？

先回答一下初始化容量16问题，知识追寻者找到成员变量，默认初始化容量字段值为16；而且默认初始化值必须是2的倍数；

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16默认的初始化容量

回答负载因子0.75是指HashMap的一个扩容机制；比如 扩容因子是0.7，假设容量为10；当插入的数据达到第10*0.7 = 7 时就会发生扩容；那么知识追寻者再计算一下HashMap的扩容算法，0.75 * 16 = 12；那么也就是插入12 个数之后HashMap会发生扩容；

Tip： HashMap默认因子0.75；初始化容量16；若给定初始化容量为12，插入12个数之后再插入数据会发生扩容；

2.3 HashMap实现原理分析

官方源码的说明如下：HashMap的实现是由桶和哈希表实现，当桶的容量过于庞大时会转为树节点(与TreeMap类似，由于TreeMap底层是红黑树实现，故说桶转为红黑树也是对的)；

抛出一个问题什么是桶？

回答桶之前我们先了解一下什么是哈希表（HashTable）

哈希表本质是一个链表数组；经过Hash算法计算后得出的int值找到数组上对应的位置；丢一张图给读者们看看；

知识追寻者真是为读者操碎了心，再丢一个计算hash值的方法给你们；记得温习一下java基础String类的hashCode() 方法；若2个对象相同，hash值相同;若2个字符串内容相同(equals方法),hash值相同；

    public static void main(String[] args) {
        int hash_morning = Objects.hashCode("清晨");
        int hash_night = Objects.hashCode("晚上");
        System.out.println("清晨的hash值:"+hash_morning);//清晨的hash值:899331
        System.out.println("晚上的hash值:"+hash_night);//晚上的hash值:832240

    }

继续说我们的桶，一个桶就是一个链表中的每个节点，你也可以理解为一个下图中除了tab上的的entry ；看图

当桶的容量达到一定数量后就会转为红黑树，看图

看到这边的读者肯定收获良多了，这还是开胃菜而已，进入我们今天的正题，源码分析篇；

2.4 put方法源码分析

测试代码

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("清晨","娃哭了");
        System.out.println(map);
    }

首先进入的是put方法里面包含了putVal方法

  public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);//
    }

先对key进行了一次hash再作为putVal里面的hash

   static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

看看putVal方法内容，因为只插入一个数据，索引为空的情况不会走else里面内容，知识追寻者这里省略了；

很清晰的可以看见创建了一个节点（Node<K,V>会在下面给出）放入了tab中,tab也很好理解，就是一个存放Node的列表；其索引 i = (容量 - 1) & hash值 ， 本质上就是hash值拿去与的结果，所以是个哈希表；

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {//evict =true
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;// 声明 树数组， 树节点，n,i
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//table 为空
            n = (tab = resize()).length; // resize()是 Node<K,V>[] resize() n 就是树的长度 根据初始容量就是 n=16
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // i = (16-1) & hash ---> 15 & 899342 = 14 ；
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);// 创建新节点,并插入数据
        else {
            .......
        }
        ++modCount;//集合结构修改次数+1
        if (++size > threshold)// size=1 ; threshold=12
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

这边做了个图记录一下

Node代码如下

 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//哈希值 key value异或的hash值
        final K key;//键
        V value;//值
        Node<K,V> next;//存放下一个节点

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
       public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        } 
...........

知识追寻者又加了一个晚上进去，跑过代码后转为图如下

这么知识追寻者提出个想法，15的二进制是 1111 ，任何一个key ,value 的哈希值进行异或后得到Node的哈希值再与原来的1111相与 也就是取Node哈希值的二进制的后四位为准；tab的容量为16；存进去一个Node后 size 加1，最多也就是只能存储12个值就会发生扩容；这种情况下只要hash值相同就会发生碰撞，然后就会进入else方法，问题产生了，怎么构造2个一样的Node哈希值是个问题; 这边给出了示例如下：

参考链接：https://blog.csdn.net/hl_java/article/details/71511815

     public static void main(String[] args) {
         System.out.println(HashMapTest.hash("Aa"));//2112
         System.out.println(HashMapTest.hash("BB"));//2112
     }
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

继续试验，发现 key的hash值相同后，会进入else方法，会在原来 AA 这个Node节点属性next添加一个节点存放Bb；哇塞这不就是实现了一个entry链表了么

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {//evict =true
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;// 声明 树数组， 树节点，n,i
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//table 为空
            n = (tab = resize()).length; // resize()是 Node<K,V>[] resize() n 就是node的长度 根据初始容量就是 n=16
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // i = (16-1) & hash ---> 15 & 哈希值 
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);// 创建新节点,并插入数据
        else {
            Node<K,V> e; K k; // 声明 node k
            if (p.hash == hash && // p这个node 存放 Aa-->a ; hash 2112
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//这边key内容不相同所以没进入，故不是相同节点
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)// 这边 p不是 TreeNode 故没转到红黑树加Node
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 默认 桶的数量为0
                    if ((e = p.next) == null) { // 将p这个Node的下一个节点赋值给e为null；链表的开端哟
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);// P创建节点存放BB--> b 
                        // 其中 TREEIFY_THRESHOLD = 8
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);//树化
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash && //这边还是判定p和 e 是否是同一个Node
                        ((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;//key相同会新值会取代旧值
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;//集合结构修改次数+1
        if (++size > threshold)// size=1 ; threshold=12
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

知识追寻者记录一下，原来key经过hash后如果hash值相同就会在形成一个链表，看代码也知道除了Tab上的第一个Entry,后面每一个Entry的Node都是一个桶；可以看见一个for循环是个无限循环，如果key的hash值相同次数达到8以后就会调用 treeifyBin(tab, hash); 知识追寻者又理解了，只要桶的数量达到8后就会将链表节点树化；这就是 数组 + 链表(每个列表的节点就是一个桶) ---> 数组 + 红黑树；为什么链表要转为红黑树呢，这就考虑到算法的效率问题，链表时间复杂度o(n)，而红黑树的时间复杂度o(logn)，树的查找效率更高；

Tip : hashMap 本质是一串哈希表；哈希表首先由数组 + 链表组成；当hash碰撞后会形成链表，每个链表的节点又是一个桶；当桶的数量达到8之后就会进行树化，将链表转为红黑树，此时HashMap结构就是 数组 + 红黑树 ；如果插入相同的key，新的value会取代旧的value；

2.5 扩容源码分析

测试代码

   public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>(12);
    }

首先进入HashMap初始化代码

 public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);// 容量12 ，负载因子0.75
    }

进入构造器看看；很简单 就是HashMap的最大容量值是2的30次方；其次由于输入的数字是12不是2的次幂会进行扩容，扩容的结果也很简单就是比输出的值大的2的次幂；比12大的2 的次幂就是16；

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {//initialCapacity=12，loadFactor=0.75
        if (initialCapacity < 0)//容量小于0，抛出非法参数异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)// MAXIMUM_CAPACITY = 1<<30 也就是 2 的30次方 ；记hashMap最大
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) // loadFactor=0.75>0 ,否则抛出非法参数异常
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;//负载因子赋值
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);// 返回一个2次方长度的容量；此时 threshold = 16
    }

点进入看看tableSizeFor(initialCapacity)是什么；多个无符号右位或操作；其目的就是构造2次幂个1；很简单的计算，读者可以自行计算；

    static final int tableSizeFor(int cap) {//cap=12
        int n = cap - 1;// n =11
        n |= n >>> 1;// 11无符号右移 1位的结果与11相或; n=15
        n |= n >>> 2;//n=15
        n |= n >>> 4;//n=15
        n |= n >>> 8;//n=15
        n |= n >>> 16;//n=15
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;//15+1=16
    }

Tip : HashMap 的扩容机制就是比输入容量值大的第一个二次幂

2.6 get源码分析

测试代码

   public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>(12);
        map.put("a","b");
        map.get("a");
    }

进入get方法

  public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;//声明Node 节点e
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;// 根据key的哈希值获取Node节点返回Value
    }

进入 getNode(hash(key), key)方法，可以看见进行了优先选取tab上的entry节点；如果不是才会进入链表或者红黑树进行遍历比对hash值获取节点；看过put源码之后get源码都没什么奇点了；

    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;// 声明 节点数组tab , 节点first, e ; n ,k
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&// tab.length =16 即容量
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // 与get的计算hash 值一样； hash值= （容量-1）& hash 得到tab索引；然后获取索引值赋值给first
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//直接检查是否是tab上的enrty，是直接就返回Node
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)//如果是红黑树就遍历获取节点
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);//否则循环遍历链表获取节点
            }
        }
        return null;
    }

2.7 hashCode源码分析

测试代码

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>(12);
        map.put("a","b");
        map.put("b","c");
        int hashCode = map.hashCode();
        System.out.println(hashCode);//4
    }

进入hashCode，就是遍历每个entrySet的哈希值进行相加作为HashMap的hash值

   public int hashCode() {
        int h = 0;
        Iterator<Entry<K,V>> i = entrySet().iterator();//迭代器
        while (i.hasNext())
            h += i.next().hashCode();//迭代每个entrySet的哈希值相加
        return h;
    }

做个验证

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Object> map = new HashMap<>(12);
        map.put("a","b");
        map.put("b","c");
        Set<Map.Entry<String, Object>> entries = map.entrySet();
        entries.stream().forEach(entry->{
            System.out.println(entry.hashCode());
        });
    }

输出内容是1，3;

Tip : HashMap 的hashCode 就是 entry 的hash值之和，其中Node的哈希值由key和value的哈希值之和；

三总结

• HashMap允许key和value都为null;key具有唯一性；
• HashMap与HashTable不同之处是，HashMap不同步，HashTable不允许key，value为null；
• HashMap无法保证Map中内容的顺序
• HashMap默认因子0.75；初始化容量16；如果给定容量为12，插入12个数之后再插入数据会发生扩容；
• hashMap 本质是一串哈希表；哈希表首先由数组 + 链表组成；当hash碰撞后会形成链表，每个链表的节点又是一个桶；当桶的数量达到8之后就会进行树化，将链表转为红黑树，此时HashMap结构就是 数组 + 红黑树 ；如果插入相同的key，新的value会取代旧的value；
• HashMap 的扩容机制就是比输入容量值大的第一个二次幂；比如12，扩容后就是16；17扩容后就是32；
• HashMap 的hashCode 就是 entry 的hash值之和，其中Node的哈希值由key和value的哈希值之和；