1. HashMap的数据结构

中有数组和链表来实现对数据的存储，但这两者基本上是两个极端。

 数组

数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；

链表

链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。

哈希表

那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表。哈希表（(Hash table）既满足了数据的查找方便，同时不占用太多的内容空间，使用也十分方便。

哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法，我们可以理解为“链表的数组” ，如图：

 

 

　　HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。

　　首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。

    /**

     * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.

     */

   transient Entry[] table;

   Entry的构造函数

Entry(int h, K k, V v, Entry
    
      n) {
      value = v;     next = n;     key = k;     hash = h; }
    

HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

2. HashMap的具体实现

package java.util;  import java.io.*;  publicclass HashMap
      
             extends AbstractMap
       
              implements Map
        
         , Cloneable, Serializable  {
        
       
      

/*         HashMap 的实例有两个参数影响其性能：初始容量 和加载因子。         容量是哈希表中桶的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。         加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。         当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，         则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），         从而哈希表将具有大约两倍的桶数。         加载因子默认值为0.75，默认哈希表容量为16    */

//初始化容量16 hashMap的容量必须是2的指数倍，Hashtable是11     static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;     //最大容量2的30次方      static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;      //默认加载因子默认的平衡因子为0.75，这是权衡了时间复杂度与空间复杂度之后的最好取值（JDK说是最好的），过高的因子会降低存储空间但是查找（lookup，包括HashMap中的put与get方法）的时间就会增加。     static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;      //用来存储键值对的Entry数组,用于设置刚刚初始化的HashMap对象,用来减少存储空间      static final Entry
      [] EMPTY_TABLE = {};      //大小必须是2的倍数      transient Entry
      
       [] table = (Entry
       
        []) EMPTY_TABLE;      //存储的键值对的数目      transient int size;      //阈值，当size超过threshold时，table将会扩容.  //threshold = capacity * loadFactor      int threshold;      //加载因子          final float loadFactor;      //修改次数，用于检查线程是否同步      transient int modCount;         //默认的阀值      static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;      privatestaticclass Holder {
     staticfinalint ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD;          static {              //获取jdk内置的阀值              String altThreshold = java.security.AccessController.doPrivileged(                  new sun.security.action.GetPropertyAction(                      "jdk.map.althashing.threshold"));              int threshold;              try {                  //设置当前阀值                  threshold = (null != altThreshold)                          ? Integer.parseInt(altThreshold)                          : ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT;                  // disable alternative hashing if -1  if (threshold == -1) {                      threshold = Integer.MAX_VALUE;                  }                  if (threshold < 0) {                      thrownew IllegalArgumentException("value must be positive integer.");                  }              } catch(IllegalArgumentException failed) {                  thrownew Error("Illegal value for 'jdk.map.althashing.threshold'", failed);              }              ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD = threshold;          }      }      //使用初始化容量和加载因子初始化HashMap  public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {          if (initialCapacity < 0)              thrownew IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                                                 initialCapacity);          if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)              initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;          if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))              thrownew IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                                                 loadFactor);          this.loadFactor = loadFactor;          threshold = initialCapacity;          init();      }      public HashMap(int initialCapacity) {          this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);      }      public HashMap() {          this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);      }      /*      * Constructs a new HashMap with the same mappings as the      * specified Map.  The HashMap is created with      * default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to      * hold the mappings in the specified Map.     */public HashMap(Map
         m) {          this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,                        DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);          inflateTable(threshold);          putAllForCreate(m);      }      /**      * A randomizing value associated with this instance that is applied to      * hash code of keys to make hash collisions harder to find.      If 0 then alternative hashing is disabled.      */      transient int hashSeed = 0;      //工具函数,将number扩展成2的倍数     privatestaticint roundUpToPowerOf2(int number) {          // assert number >= 0 : "number must be non-negative";  int rounded = number >= MAXIMUM_CAPACITY                  ? MAXIMUM_CAPACITY                  : (rounded = Integer.highestOneBit(number)) != 0                      ? (Integer.bitCount(number) > 1) ? rounded << 1 : rounded                      : 1;          return rounded;      }      //将表格大小扩展到toSize      privatevoid inflateTable(int toSize) {          // Find a power of 2 >= toSize  int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);          //重新设置阀值          threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);          //重新设置table          table = new Entry[capacity];          //根据capacity初始化hashSeed          initHashSeedAsNeeded(capacity);      }      // internal utilities  void init() {      }      /**      * Initialize the hashing mask value. We defer initialization until we      * really need it.      */      finalboolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {          boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;          //根据系统函数得到一个hash  boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&                  (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);          boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;          //如果hashSeed初始化为0则跳过switching  //否则使用系统函数得到新的hashSeed  if (switching) {              hashSeed = useAltHashing                  ? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)                  : 0;          }          return switching;      }      /*         哈希算法的核心：哈希函数      * Retrieve object hash code and applies a supplemental hash function to the      * result hash, which defends against poor quality hash functions.  This is      * critical because HashMap uses power-of-two length hash tables, that      * otherwise encounter collisions for hashCodes that do not differ      * in lower bits. Note: Null keys always map to hash 0, thus index 0.      */       */      finalint hash(Object k) {          int h = hashSeed;          //通过hashSeed初始化的值的不同来选择不同的hash方式          if (0 != h && k instanceof String) {          //String类采用不同的hash函数            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);          }            h ^= k.hashCode();            h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);          return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);      }      //Returns index for hash code h.通过得到的hash值来确定它在table中的位置      staticint indexFor(int h, int length) {          // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";          return h & (length-1);      }     publicint size() {          return size;      }      publicboolean isEmpty() {          return size == 0;      }      public V get(Object key) {          if (key == null)              return getForNullKey();          Entry
        
          entry = getEntry(key);//查看调用函数，在下面  returnnull == entry ? null : entry.getValue();      }      private V getForNullKey() {          if (size == 0) {              returnnull;          }          for (Entry
         
           e = table[0]; e != null; e = e.next) {              if (e.key == null)                  return e.value;          }          returnnull;      }      publicboolean containsKey(Object key) {          return getEntry(key) != null;      }      final Entry
          
            getEntry(Object key) {          if (size == 0) {              returnnull;          }          //通过key的hash值确定table下标（null对应下标0）  int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);          //indexFor() = h & (length-1) = hash&(table.length-1)  for (Entry
           
             e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) //对冲突的处理办法是将线性探查，即将元素放到冲突位置的下一个可用位置上 { Object k; /*注意：因为元素可能不是刚好存在它对应hash值得下一个位置 (如果该位置之前有元素，则要放在下两个的位置，以此类推) */if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //所以不仅要判断hash还要判断key（因为不同的key可能有相同的hash值） return e; } returnnull; } /* * 1. 通过key的hash值确定table下标 * 2. 查找table下标，如果key存在则更新对应的value * 3. 如果key不存在则调用addEntry()方法 */public V put(K key, V value) { if (table == EMPTY_TABLE) { //初始化存储表空间 inflateTable(threshold); } if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); /* 注意： 我不断的寻找，hash值对应位置之后的可用位置在哪里 */for (Entry
            
              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; } } //上面的循环结束表示当前的key不存在与表中，需要另外增加 modCount++; addEntry(hash, key, value, i);//函数在下面 returnnull; } /* 为减少篇幅，删除了一些功能实现类似的方法 大家可以自行阅读分析 *//** * Transfers all entries from current table to newTable. */void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { int newCapacity = newTable.length; for (Entry
             
               e : table) { while(null != e) { Entry
              
                next = e.next; //是否重新进行hash计算 if (rehash) { e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key); } int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } } } //扩展到指定的大小 void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //重新hash transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity)); table = newTable; threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); } //Entry类就是一个简单的键值对的类 static class Entry
               
                 implements Map.Entry
                
                  { final K key; V value; Entry
                 
                   next;//这是一种类似指针的东西 int hash;//还要存放hash值 /* 下面是一些十分基本的构造函数以及get,set方法 */ Entry(int h, K k, V v, Entry
                  
                    n) { value = v; next = n; key = k; hash = h; } publicfinal K getKey() { return key; } publicfinal V getValue() { return value; } publicfinal V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue; return oldValue; } //必须要key和value都一样才equals public final boolean equals(Object o) { if (!(o instanceof Map.Entry)) returnfalse; Map.Entry e = (Map.Entry)o; Object k1 = getKey(); Object k2 = e.getKey(); if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) { Object v1 = getValue(); Object v2 = e.getValue(); if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2))) returntrue; } returnfalse; } publicfinalint hashCode() { return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue()); } publicfinal String toString() { return getKey() + "=" + getValue(); } /** * This method is invoked whenever the value in an entry is * overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already * in the HashMap. */void recordAccess(HashMap
                   
                     m) { } /** * This method is invoked whenever the entry is * removed from the table. */void recordRemoval(HashMap
                    
                      m) { } } //根据需要，可能要扩容 //由于它由Put函数调用，调用之前已经确定表中没有key的记录 //addEntry默认当前表中没有指定key的记录，直接增加记录 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { //计算存放位置 if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length);//将容量翻倍 hash = (null != key) ? hash(key) : 0; //寻找指定hash值对应的存放位置 bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex); } //由于默认没有key的记录，所以直接增加 void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry
                     
                       e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); size++; } //类似于Entry数组的迭代器，主要是对table进行操作 private abstract class HashIterator
                      
                        implements Iterator
                       
                         { Entry
                        
                          next; // next entry to return int expectedModCount; // For fast-fail intindex; // current slot Entry
                         
                           current; // current entry HashIterator() { expectedModCount = modCount; if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } } publicfinalboolean hasNext() { return next != null; } final Entry
                          
                            nextEntry() { if (modCount != expectedModCount) thrownew ConcurrentModificationException(); Entry
                           
                             e = next; if (e == null) thrownew NoSuchElementException(); if ((next = e.next) == null) { Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } current = e; return e; } publicvoid remove() { if (current == null) thrownew IllegalStateException(); if (modCount != expectedModCount) thrownew ConcurrentModificationException(); Object k = current.key; current = null; HashMap.this.removeEntryForKey(k); expectedModCount = modCount; } } privatefinalclass ValueIterator extends HashIterator
                            
                              { public V next() { return nextEntry().value; } } privatefinalclass KeyIterator extends HashIterator
                             
                               { public K next() { return nextEntry().getKey(); } } privatefinalclass EntryIterator extends HashIterator
                              
                               
                                > { public Map.Entry
                                
                                  next() { return nextEntry(); } } // Subclass overrides these to alter behavior of views' iterator() method Iterator
                                 
                                   newKeyIterator() { returnnew KeyIterator(); } Iterator
                                  
                                    newValueIterator() { returnnew ValueIterator(); } Iterator
                                   
                                    
                                     > newEntryIterator() { returnnew EntryIterator(); } // Views private transient Set
                                     
                                      
                                       > entrySet = null; /** * Returns a link Set view of the keys contained in this map. */public Set
                                       
                                         keySet() { Set
                                        
                                          ks = keySet; return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet())); } privatefinalclass KeySet extends AbstractSet
                                         
                                           { public Iterator
                                          
                                            iterator() { return newKeyIterator(); } publicint size() { return size; } publicboolean contains(Object o) { return containsKey(o); } publicboolean remove(Object o) { return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null; } publicvoid clear() { HashMap.this.clear(); } } /** * Returns a Collection view of the values contained in this map. */public Collection
                                           
                                             values() { Collection
                                            
                                              vs = values; return (vs != null ? vs : (values = new Values())); } privatefinalclass Values extends AbstractCollection
                                             
                                               { public Iterator
                                              
                                                iterator() { return newValueIterator(); } publicint size() { return size; } publicboolean contains(Object o) { return containsValue(o); } publicvoid clear() { HashMap.this.clear(); } } /** return a set view of the mappings contained in this map */public Set
                                               
                                                
                                                 > entrySet() { return entrySet0(); } private Set
                                                 
                                                  
                                                   > entrySet0() { Set
                                                   
                                                    
                                                     > es = entrySet; return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet()); } privatefinalclass EntrySet extends AbstractSet
                                                     
                                                      
                                                       > { public Iterator
                                                       
                                                        
                                                         > iterator() { return newEntryIterator(); } publicboolean contains(Object o) { if (!(o instanceof Map.Entry)) returnfalse; Map.Entry
                                                         
                                                           e = (Map.Entry
                                                          
                                                           ) o; Entry
                                                           
                                                             candidate = getEntry(e.getKey()); return candidate != null && candidate.equals(e); } publicboolean remove(Object o) { return removeMapping(o) != null; } publicint size() { return size; } publicvoid clear() { HashMap.this.clear(); } } }
                                                           
                                                          
                                                         
                                                        
                                                       
                                                      
                                                     
                                                    
                                                   
                                                  
                                                 
                                                
                                               
                                              
                                             
                                            
                                           
                                          
                                         
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                    
                   
                  
                 
                
               
              
             
            
           
          
         
        
       
      

Hashtable是HashMap的线程安全版本，它的实现和HashMap实现基本一致，除了它不能包含null值的key和value，并且它在计算hash值和数组索引值的方式要稍微简单一些。 

Hashtable线程安全实现方式是将所有方法都标记成synchronized，但这样加锁的粒度大，容易引起一些性能问题，所以目使用java.concurrent.ConcurrentHashMap类性能更佳

      在JDK1.7之后，HashMap和HashTable的哈希函数都一样了，但由hash值转换成表索引的方式不一样：

• • HashMap使用&位操作 : h & (length-1);
  • HashTable使用取余操作 ： (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

     上面的hash()方法和indexFor()是hashMap当中的一个重点。

看到这么多位操作，是不是觉得晕头转向了呢，还是搞清楚原理就行了，毕竟位操作速度是很快的，不能因为不好理解就不用了。 

在哈希表容量（也就是buckets或slots大小）为length的情况下，为了使每个key都能在冲突最小的情况下映射到[0,length)（注意是左闭右开区间）的索引（index）内，一般有两种做法：

• 方法1：让length为素数，然后用hashCode(key) mod length的方法得到索引
• 方法2：让length为2的指数倍，然后用hashCode(key) & (length-1)的方法得到索引

HashTable用的是方法1，HashMap用的是方法2。重点说说方法2的情况，方法2其实也比较好理解： 

因为length为2的指数倍，所以length-1所对应的二进制位都为1，然后在与hashCode(key)做与运算，即可得到[0,length)内的索引。但是这里有个问题，如果hashCode(key)的大于length的值，而且hashCode(key)的二进制位的低位变化不大，那么冲突就会很多，举个例子： 

Java中对象的哈希值都32位整数，而HashMap默认大小为16，那么有两个对象那么的哈希值分别为：0xABAB0000与0xBABA0000，它们的后几位都是一样，那么与16异或后得到结果应该也是一样的，也就是产生了冲突。造成冲突的原因关键在于16限制了只能用低位来计算，高位直接舍弃了，所以我们需要额外的哈希函数而不只是简单的对象的hashCode方法了。具体来说，就是HashMap中hash函数干的事了。

 

roundUpToPowerOf2这个方法是用来返回大于等于最接近number的2的冪数

  int rounded = number >= MAXIMUM_CAPACITY

                ? MAXIMUM_CAPACITY

                : (rounded = Integer.highestOneBit(number)) != 0

                    ? (Integer.bitCount(number) > 1) ? rounded << 1 : rounded

                    : 1;

Integer中的highestOneBit方法是用来返回小于等于最接近number的2的冪数，

例如：number=5，对应的二进制为 101，

highestOneBit(5)=100,既在number最高位为1的位置开始，后面全部补0

Integer中的bitCount方法返回number二进制中1的个数

如果number是2的冪数 b1=1,返回就是number，

如果number不是2的冪数，则highestOneBit>1,因为rounded = Integer.highestOneBit(number)，rounded已经是最接近小于number的2的冪数，故，rounded<<1,左移一位，就成为最接近大于等于number的2的冪数了

3. 解决hash冲突的办法

1. 开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）
2. 再哈希法
3. 链地址法
4. 建立一个公共溢出区

中hashmap的解决办法就是采用的链地址法。

 

4. 再散列rehash过程

当哈希表的容量超过默认容量时，必须调整table的大小。当容量已经达到最大可能值时，那么该方法就将容量调整到Integer.MAX_VALUE返回，这时，需要创建一张新表，将原表的映射到新表中。

   /**

     * Rehashes the contents of this map into a new array with a

     * larger capacity.  This method is called automatically when the

     * number of keys in this map reaches its threshold.

     *

     * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not

     * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.

     * This has the effect of preventing future calls.

     *

     * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;

     *        must be greater than current capacity unless current

     *        capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value

     *        is irrelevant).

     */

    void resize(int newCapacity) {

        Entry[] oldTable = table;

        int oldCapacity = oldTable.length;

        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {

            threshold = Integer.MAX_VALUE;

            return;

        }

 

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];

        transfer(newTable);

        table = newTable;

        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);

    }

 

    /**

     * Transfers all entries from current table to newTable.

     */

    void transfer(Entry[] newTable) {

        Entry[] src = table;

        int newCapacity = newTable.length;

        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;

                    //重新计算index

                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

                    e.next = newTable[i];

                    newTable[i] = e;

                    e = next;

                } while (e != null);

            }

        }

    }