HashMap 工作原理详解

1. HashMap 的基本结构

HashMap 是一种基于哈希表的数据结构，它通过将键映射到值来实现高效的查找、插入和删除操作。HashMap 的核心结构是数组加链表（或树）。

主要组件

• 数组：用于存储链表或树的头节点。
• 链表：用于解决哈希冲突。
• 红黑树：当链表长度超过一定阈值时，链表会转换为红黑树，以提高效率。

2. put 方法的执行过程

2.1 基本流程

1. 计算哈希值：根据键计算哈希值，并通过模运算（实际是对于2ⁿ-1进行&运算）确定数组索引。
2. 检查桶：查看该索引处的桶（链表或树）。
3. 插入元素：
   • 如果桶为空，直接创建一个新节点。
   • 如果桶不为空：
     • 遍历链表，检查是否存在相同的键：
       • 如果存在，更新值。
       • 如果不存在，添加新节点。

2.2 关键源码

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //如果数组为空，则创建数组
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)   //如果当前数组元素为空，则将此值放入该数组下标位置
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {   //否则就是链表或者红黑树的插入
            Node<K,V> e; K k;
          //如果只有一个元素，并且冲突，则直接修改其value
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
          //如果此时挂的是一个红黑树，则按照红黑树的方式插入节点
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
          //否则按照链表的方式插入节点
            else {
  
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                  //遍历链表，直到找到尾节点
                    if ((e = p.next) == null) {
                      //进行尾插法插入节点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                      //如果当前节点数大于8，则进行树化
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                  //遍历的同时，看是否能找到目标节点，如果找到则直接替换值
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //这段代码是看你调用put时是否用了ifabsent，如果用了，则当冲突的时，不进行替换
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
       //当大于默认0.75加载因子时，尝试扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

3. 链表与树的转换

3.1 链表的形成

当多个键经过哈希计算后映射到同一个数组索引时，会在该索引处形成链表。

3.2 从链表转换为红黑树

当某个桶中的链表长度超过 8 时并且此时的数组长度大于等于64时，链表会被转换为红黑树，如果不大于64，会考虑 resize扩容,以提高查找效率。

3.3 关键源码

void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
    int n, index; Node<K,V> e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)  //默认64
            resize();  //扩容
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {//转红黑树
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
}

4. 扩容机制

4.1 扩容条件

当 HashMap 的大小超过负载因子（默认值为 0.75）与当前容量的乘积时，会触发扩容。

4.2 扩容流程

1. 创建一个新的数组，大小是原数组的两倍。
2. 重新计算每个元素的索引，并将其放入新的数组中，计算方式会将一个链表分成两个链表，比如当前数组长度是16，那么翻一倍就是32，按照32-1=31（0001 1111）和hash值进行与操作，因为当只有16哥元素时，是按照16-1=15（0000 1111）进行与操作的，假设一个hash是1011 0101，那么在16个元素数组时，进行与操作得到的结果是 0000 0101，而在32个元素进行与操作得到的结果是0001 0101，这时会发现不在一个位置，最终的原因就是因为多了一个位参与计算，而多一位计算，就会出现两种结果，··如果之前的hash值的第五位是0，那么扩容后，0&1=0，位置不变，如果为1，1&1=1，则会向右移动一个旧数组长度,这就是为什么会分成两个链表

4.3 关键源码

void resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int newCap = oldCap << 1;
    // 省略部分代码
    transfer(newTab);
}

5. 红黑树退化为链表的情况

当红黑树中的节点数量少于 6 时，红黑树会退化为链表。

5.1 关键源码

void untreeify(Node<K,V> p) {
    // 将树转换为链表
}

总结

HashMap 通过数组、链表和红黑树的结合，实现了高效的数据存储与查找。通过理解其 put 方法、链表与树的转换、扩容机制以及树退化的情况，可以更好地掌握 HashMap 的工作原理。