HashMap原理(一) 概念和底层架构

HashMap在Java开发中使用的非常频繁，可以说仅次于String，可以和ArrayList并驾齐驱，准备用几个章节来梳理一下HashMap。我们还是从定义一个HashMap开始。
HashMap<String, Integer> mapData = new HashMap<>();
我们从此处进入源码，逐步揭露HashMap
/** * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity *
(16) and the default load factor (0.75). */ public HashMap() { this.loadFactor
= DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }

我们发现了两个变量loadFactor和DEFAULT_LOAD_FACTOR，从命名方式来看：因为没有接收到loadFactor参数，从而将某个默认值赋值给了loadFactor。这两变量到底是什么意思，还有无其他变量？

其实HashMap中定义的静态变量和成员变量很多，我们看一下
//静态变量 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 static
final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR =
0.75f; static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; static final int
UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; //成员变量
transient Node<K,V>[] table; transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; transient
int size; transient int modCount; int threshold; final float loadFactor;
共有6个静态变量，都设置了初始值，且被final修饰，叫常量更合适，它们的作用其实也能猜出来，就是用于成员变量的默认值设定以及方法中相关的条件判断等情况。

共有6个成员变量，除这些成员变量外，还有一个重要概念capacity，我们主要说一下table，entrySet，capacity,
size，threshold，loadFactor，我们我们简单解释一下它们的作用。

1. table变量


table变量为HashMap的底层数据结构，用于存储添加到HashMap中的Key-value对，是一个Node数组，Node是一个静态内部类，一种数组和链表相结合的复合结构，我们看一下Node类：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K
key; V value; Node<K,V> next; 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 K getKey() { return key; } public final V getValue() { return
value; } public final String toString() { return key + "=" + value; } public
final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
} public final V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue;
return oldValue; } public final boolean equals(Object o) { if (o == this)
return true; if (o instanceof Map.Entry) { Map.Entry<?,?> e =
(Map.Entry<?,?>)o; if (Objects.equals(key, e.getKey()) && Objects.equals(value,
e.getValue())) return true; } return false; } }
若以乘机做比喻的话，那么你买票的身份证号就是（key），通过hash算法生成的（hash）值就相当于值机后得到的航班座位号；你自己自然就是（value
）,你旁边的座位、人就是下一个Node（next）；这样的一个座位整体（包括所坐人员及其身份证号、座位号）就是一个table，这许多的table的构建的
Node[] table，就构成了本次航班任务。

那么为什么要用到数组和链表结合的数据结构？


我们知道数组和链表都有其各自的优点和缺点，数组连续存储，寻址容易，插入删除操作相对困难；而链表离散存储，寻址相对困难，而插入删除操作容易；而HashMap结合了这两种数据结构，保留了各自的优点，又弥补了各自的缺点，当然链表长度太长的话，在JDK8中会转化为红黑树，红黑树在后面的TreeMap章节在讲解。

HashMap的结构图如下：



怎么解释这种结构呢？


还是以乘机为例来说明，假如购票系统比较人性化并取消了值机操作，购票按照年龄段进行了区分，方便大家旅途沟通交流，于是20岁以下共6个人的分为了一组在20A~20F，20~30岁共6个人分为一组在21A~21F，30~40岁共6个人分为一组在22A~22F，40~50岁共6个人分为一组在23A~23F。

这时我们如果要找20几岁的小姐姐，我们很容易知道去21排找，从21A开始往下找，应该就能很快找到。


从数据的角度看，按年龄段分组（通过hash算法得到hash值，不同年龄段hash值不同，相同年龄段hash值相同）后，将各年龄段中第一个坐到座位上的人放到数组table中，下一个人来的时候，将第一个人往里面挪，自己在数组里，并将next指向第一个人。

2. entrySet变量


entrySet变量为EntrySet实体，定义为变量可保证不重复多次创建，是一个Map.Entry的集合，Map.Entry<K,V>是一个接口，Node类就实现了该接口，因此EntrySet中方法需要操作的数据就是HashMap的Node实体。
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() { Set<Map.Entry<K,V>> es; return (es =
entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es; }
3. capacity

capacity并不是一个成员变量，但HashMap中很多地方都会使用到这个概念，意思是容量，很好理解，在前面的文中提到了两个常量都与之相关
/** * The default initial capacity - MUST be a power of two(必须为2的幂次). *
默认容量16，举例：飞机上正常的座位所对应的人员数量， */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 <<
4; // aka 16 /** * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly
specified * by either of the constructors with arguments. * MUST be a power of
two <= 1<<30(必须为2的幂次，且不能大于最大容量1,073,741,824). *
举例：紧急情况下，如救灾时尽可能快撤离人员，这个时候在保证安全的情况下（允许站立），能运输的人员数 */ static final int
MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
同时HashMap还具有扩容机制，容量的规则为2的幂次，即capacity可以是1，2，4，8，16，32...，怎么实现这种容量规则呢？
/** * Returns a power of two size for the given target capacity. */ static
final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >=
MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
用该方法即可找到传递进来的容量的最近的2的幂次，即

cap = 2, return 2；

cap = 3, return 4;

cap = 9, return 16;

...

大家可以传递值进去自己算一下，先cap-1操作，是因为当传递的cap本身就是2的幂次情况下，假如为4，不减去一最后得到的结果将是传递的cap的2倍。

我们来一行行计算一下：tableSizeFor(11)，按规则最后得到的结果应该是16
//第一步：n = 10，转为二进制为00001010 int n = cap - 1;
//第二步：n右移1位，高位补0（10进制：5，二进制：00000101），并与n做或运算（有1为1，同0为0），然后赋值给n（10进制：15，二进制：00001111）
n |= n >>> 1;
//第三步：n右移2位，高位补0（10进制：3，二进制：00000011），并与n做或运算（有1为1，同0为0），然后赋值给n（10进制：15，二进制：00001111）
n |= n >>> 2;
//第四步：n右移4位，高位补0（10进制：0，二进制：00000000），并与n做或运算（有1为1，同0为0），然后赋值给n（10进制：15，二进制：00001111）
n |= n >>> 4;
//第五步：n右移8位，高位补0（10进制：0，二进制：00000000），并与n做或运算（有1为1，同0为0），然后赋值给n（10进制：15，二进制：00001111）
n |= n >>> 8;
//第六步：n右移16位，高位补0（10进制：0，二进制：00000000），并与n做或运算（有1为1，同0为0），然后赋值给n（10进制：15，二进制：00001111）
n |= n >>> 16; //第七步：return 15+1 = 16; return (n < 0) ? 1 : (n >=
MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
最终的结果正如预期，算法很牛逼啊，ヽ(ー_ー)ノ，能看懂，但却设计不出来。

4. size变量


size变量记录了Map中的key-value对的数量，在调用putValue()方法以及removeNode()方法时，都会对其造成改变，和capacity区分一下即可。

5. threshold变量和loadFactor变量

threshold为临界值，顾名思义，当过了临界值就需要做一些操作了，在HashMap中临界值“threshold = capacity *
loadFactor”，当超过临界值时，HashMap就该扩容了。

loadFactor为装载因子，就是用来衡量HashMap满的程度，默认值为DEFAULT_LOAD_FACTOR，即0.75f
，可通过构造器传递参数调整（0.75f已经很合理了，基本没人会去调整它），很好理解，举个例子：


100分的试题，父母只需要你考75分，就给你买一台你喜欢的电脑，装载因子就是0.75，75分就是临界值；如果几年后，试题的分数变成200分了，这个时候就需要你考到150分才能得到你喜欢的电脑了。

总结


本文主要讲解了HashMap中的一些主要概念，同时对其底层数据结构从源码的角度进行了分析，table是一个数据和链表的复合结构，size记录了key-value对的数量，capacity为HashMap的容量，其容量规则为2的幂次，loadFactor为装载因此，衡量满的程度，而threshold为临界值，当超出临界值时就会扩容。

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