结构概览
HashMap在底层数据结构上采用了数组＋链表＋红黑树，通过散列映射来存储键值对数据。
特点：
- 每个K都是独一无二的
- 只允许一个key为null，可以有任意多个value为null
- 元素是无需的，而且顺序会发生改变
- 关键因子：数组容量和负载因子
关键点：
- 负载因子，默认为0.75
- 容量，默认为16，必须为2的幂（数组table的长度）
- 实际最大容量=负载因子x容量，默认就是16x0.75=12（真正能的容量上限）
初始化
HashMap初始化并没有做太多的操作，有四个构造函数：
public HashMap(int initialCapacity) {
//使用默认负载因子，传入的容量初始化
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
...
//初始化负载因子
this.loadFactor = loadFactor;
//并没有直接初始化容量，而是计算出下次扩容的容量
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
static final int tableSizeFor(int cap) {
//不论你传入了什么，还是要计算出临近的2的幂
int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
public HashMap() {
//使用默认负载因子初始化负载因子
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//处理现有map的数据
putMapEntries(m, false);
}
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) {
if (table == null) {
//如果当前map中的数组为空，则进行计算下一次扩容的长度
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
} else {
//如果当前map中的数组不为空
//如果下次扩容的容量小于老map中数组的长度并且当前数组长度小于最大长度
//则进行扩容
while (s > threshold && table.length < MAXIMUM_CAPACITY)
resize();
}
//遍历传入的map，并将每一个元素添加到新的map里面
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
//插入
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
数组长度问题
HashMap在初始化时并没有确定数组长度，实际上长度是在扩容在初始化的，在插入元素时，如果发现table为空或者达到了最大容量，就会进行扩容（初始化）而就是在这初始化时，会用到用户传入的数组长度，但是在该长度只影响初始化，后续每次扩容一般都为当前长度的两倍。 至于为什么Hash数组长度要是2的幂，看一下hash方法的计算代码：
static final int hash(Object key) {
int h;
//扰动函数：右移16位，高低位进行异或运算
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
上面代码中：右移16位，
正好是32bit的一半，将hash值高16位和低16位做异或，使得地位掺杂了高位的特征，降低代码随机性。
在putVal函数中，计算角标的方式为i = (n - 1) & hash，其中n为数组的长度。
其中（n-1）正好低位全部为1，高位全部归零（例如15位：00000000 00000000 00000000 00001111）。这样在与hash进行与运算时，只要进行低位的运算就行。只保留低位用来确定数组下标，加快计算速度。
具体分析可查看JDK 源码中 HashMap 的 hash 方法原理是什么？
插入
数据的插入最终都会走到putVla方法
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//数组为空或者长度为0，调用resize方法初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//目标元素经hash计算后得到的下标位在数组中无数据，直接将数据插入到数组该下标处
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//当下标位存在数据，发生了碰撞，此时p指向当前下标
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//对比key值，如果key值相同，说明需要更新数据
//将e作为引用指向当前下标的实例对象
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
//红黑树的插入
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//链表的插入
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//不断的next找到链表的尾部，将数据插入到链表尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//将链表转换成二叉树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//如果遇到key值相同的，说明该节点需要更新，记录节点结束循环
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
//讲e赋值给p，使得循环第一个if语句中的p.next得以进行
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
//直接更新e节点的值
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//容量
++modCount;
//扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
代码注释里写明了插入的流程，但是并没有说明链表向红黑树的转换以及红黑树的插入。由于篇幅原因，另起笔记讲。
扩容
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//threshold为下次扩荣的容量（The next size value at which to resize (capacity * load factor)）
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
//当数组长度不为0的时候执行
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
//如果当前长度达到了最大长度，直接返回，不进行扩容，任其碰撞
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//没有超过就扩容为原来的2倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0)
//如果oldThr大于0，也就是上次计算了下次扩容量，在上面讲的Hashmap初始化时可能会走到这里
newCap = oldThr;
else {
//使用默认的长度初始化，无参初始化时就是在这里初始化了参数
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
//计算下次扩容的长度
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
//老的table不为空，则遍历老的数组，重新计算值的索引
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//有值的情况下重新插入新的数组
oldTab[j] = null;
//当节点没有下一个元素，直接插入数组
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
//如果节点是红黑树，使用红黑树插入
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { //如果节点是链表
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//当元素hash和老的index做&运算为0
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
//loTail为空，说明loHead也会空，是该下标位的第一个元素，讲第一个元素赋值给loHead
if (loTail == null)
loHead = e;
else//否则直接在尾部插入元素
loTail.next = e;
loTail = e;//向下遍历
}
//高位也一样，采用尾插法
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
//当元素hash和老的index做&运算为0，直接插入到老的下标位置
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
//当元素hash和老的index做&运算为0，插入到老的下标+老的数组length的位置
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
注释已经很详细了，这里详细记录一下链表的扩容方法
链表的扩容方法
只需要关注两个关键的点： 一、当元素的hash值和原数组长度的&运算为0，则元素在新数组中的下标位和老数组一样： 以老数组长度16为例子： 16的二进制 10000，与其进行&运算，只取元素的低有效位置，想要结果为0，则其最高位必修为0。也就是说hash值有效低位为：0**** 。 而扩容后，数组长度为32，进行hash运算时取size-1进行运算，扩容后为31，二进制为：11111，扩容前为15，二进制为：01111。 计算下标：0**** & 01111（15）= 0**** & 11111 (31); 二、当元素的hash值和原数组长度的&运算不为0，则元素在新数组中的下标位是老数组的下标位加上老数组长度： 同理，不为0时，说明hash值有效低位为：1**** ; 计算下标：1**** & 01111（15）= 1**** & 11111 (31) + 16;刚好是老数组的下标加上老数组的长度。
结语
关于红黑树的扩容和插入，因为篇幅原因，再另外一篇红黑树笔记里记述
