HashMap概述
HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。
HashMap 实现了 Map 接口，根据键的 HashCode 值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为 null，不支持线程同步。
HashMap 是无序的，不会记录插入的顺序。
HashMap 继承于AbstractMap，实现了 Map、Cloneable、java.io.Serializable 接口。
HashMap基本结构与实现原理
底层数据结构
HashMap底层采用哈希表结构（数组+链表、JDK1.8后为数组+链表或红黑树）实现，结合了数组和链表的优点：
- 数组优点：通过数组下标可以快速实现对数组元素的访问，效率极高；
- 链表优点：插入或删除数据不需要移动元素，只需修改节点引用，效率极高。
Java为数据结构中的映射定义了一个接口java.util.Map，此接口主要有四个常用的实现类，分别是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap，类继承关系如下图所示：
特点
- HashMap:根据key的hashCode值存储数据。大多数情况下可以直接定位到它的值，访问速度很快。但是存储内容是无序的。HashMap最多只允许一条记录的值为null，允许多条value值为null。HashMap是线程不安全的，在多线程环境下写HashMap可能会出现数据不一致的问题。如果需要在多线程环境下使用HashMap则需要用ConcurrentHashMap。
- HashTable:Hashtable是遗留类，很多映射的常用功能与HashMap类似，不同的是它承自Dictionary类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写Hashtable，并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。Hashtable不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。
- LinkedHashMap: HashMap的一个子类，记录的插入顺序。在使用Iterator遍历数据时，先得到的数据肯定是先插入的。
- TreeMap: TreeMap实现SortedMap接口。可以根据键排序，默认是按照键升序，也可以自定义排序比较器。当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。如果使用排序的映射，建议使用TreeMap。在使用TreeMap时，key必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出java.lang.ClassCastException类型的异常。
从结构实现来讲，HashMap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下如所示。
数据底层具体存储的是什么？这样的存储方式有什么优点呢？
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HashMap类中有一个非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶数组，明显它是一个Node的数组；源码如下:
Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; //hash值，定位数组索引位置
final K key;
V value;
Node<K,V> next; //链表的下一个node
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;
}
}
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Node包含了四个字段：hash、key、value、next，其中next表示链表的下一个节点。
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HashMap通过
hash方法计算key的哈希码，然后通过(n-1)&hash公式（n为数组长度）得到key在数组中存放的下标。当两个key在数组中存放的下标一致时，数据将以链表的方式存储（哈希冲突，哈希碰撞）。我们知道，在链表中查找数据必须从第一个元素开始一层一层往下找，直到找到为止，时间复杂度为O(N)，所以当链表长度越来越长时，HashMap的效率越来越低。为了解决这个问题，JDK1.8开始采用数组+链表+红黑树的结构来实现HashMap。当链表中的元素超过8个（TREEIFY_THRESHOLD）并且数组长度大于64（MIN_TREEIFY_CAPACITY）时，会将链表转换为红黑树，转换后数据查询时间复杂度为O(logN)。
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HashMap就是使用Hash表来存储实现的。Hash表为解决冲突，可以采用开放地址法和链地址法来解决问题。Java中HashMap采用了链地址法。
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链地址法： 可以理解为数组加链表的组合。在每个数组元素上都有一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，然后把数据放在对应元素的链表上。
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- 链地址法： 可以理解为数组加链表的组合。在每个数组元素上都有一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，然后把数据放在对应元素的链表上。
map.put("name":"小名")系统将调用”name”这个key的hashCode()方法得到其hashCode 值（该方法适用于每个Java对象），然后再通过Hash算法的后两步运算（高位运算和取模运算）来定位该键值对的存储位置，有时两个key会定位到相同的位置，表示发生了Hash碰撞。当然Hash算法计算结果越分散均匀，Hash碰撞的概率就越小，map的存取效率就会越高。
如果哈希桶数组很大，即使较差的Hash算法也会比较分散，如果哈希桶数组数组很小，即使好的Hash算法也会出现较多碰撞，所以就需要在空间成本和时间成本之间权衡，其实就是在根据实际情况确定哈希桶数组的大小，并在此基础上设计好的hash算法减少Hash碰撞。那么通过什么方式来控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶数组（Node[] table）占用空间又少呢？答案就是好的Hash算法和扩容机制
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在理解Hash和扩容流程之前，我们得先了解下HashMap的几个字段。从HashMap的默认构造函数源码可知，构造函数就是对下面几个字段进行初始化，源码如下：
// 数组默认的初始化长度16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 数组最大容量，2的30次幂，即1073741824
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// (capacity * load factor).扩容阈值，计算方法为 数组容量*加载因子
int threshold;
// 负载因子
final float loadFactor;
// 链表转换为红黑树的长度阈值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 红黑树转换为链表的长度阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 链表转换为红黑树时，数组容量必须大于等于64
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//记录HashMap内部结构发生变化的次数，主要用于迭代的快速失败;由于HashMap非线程安全，在对HashMap进行迭代时，如果期间其他线程的参与导致HashMap的结构发生变化了（比如put，remove等操作），直接抛出ConcurrentModificationException异常
int modCount;
//HashMap中实际存在的键值对数量
int size;
// HashMap使用数组存放数据，数组元素类型为Node<K,V>
transient Node<K,V>[] table;
Node[] table的初始长度是16
/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.必须是2的次幂
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
Load factor为负载因子(默认值是0.75)
/**
* The load factor used when none specified in constructor. 负载因子
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数。threshold = length * Load factor。也就是说，在数组定义好长度之后，负载因子越大，所能容纳的键值对个数越多。
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这里存在一个问题，即使负载因子和Hash算法设计的再合理，也免不了会出现拉链过长的情况，一旦出现拉链过长，则会严重影响HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，对数据结构做了进一步的优化，引入了红黑树。而当链表长度太长（默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能，其中会用到红黑树的插入、删除、查找等算法。
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红黑树的节点 TreeNode
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links TreeNode<K,V> left; TreeNode<K,V> right; TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion boolean red; TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) { super(hash, key, val, next); } ...... }
功能实现-方法
1. 确定哈希桶数组索引位置
方法一：
static final int hash(Object key) {
//h = key.hashCode()为第一步，取hashCode值
int h;
// h ^ (h >>> 16) 为第二步 高位参与运算
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
方法二：
//jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1); //第三步 取模运算
}
这里的Hash算法本质上就是三步：取key的hashCode值、高位运算、取模运算。
对于任意给定的对象，只要它的hashCode()返回值相同，那么程序调用方法一所计算得到的Hash吗值总是相同的。我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，模运算的消耗还是比较大的，在HashMap中是这样做的：调用方法二来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处。
在JDK1.8的实现中，优化了高位运算的算法，通过hashCode()的高16位异或低16位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是从速度、功效、质量来考虑的，这么做可以在数组table的length比较小的时候，也能保证考虑到高低Bit都参与到Hash的计算中，同时不会有太大的开销。
JDK8 put源码
public V put(K key, V value) {
// 对key的hashCode()做hash
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 步骤①：tab为空则创建
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 步骤②：计算index，并对null做处理
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 步骤③：节点key存在，直接覆盖value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 步骤④：判断该链为红黑树
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 步骤⑤：该链为链表
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//链表长度大于8转换为红黑树进行处理
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key已经存在直接覆盖value
if (e.hash == hash &&
((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;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 步骤⑥：超过最大容量 就扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
JDK8 get源码
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 判断数组是否为空，数组长度是否大于0，目标索引位置下元素是否为空，是的话直接返回null
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 如果目标索引位置元素就是要找的元素，则直接返回
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
//如果是红黑树，就在红黑树中查找元素
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
//否则就是链表，遍历链表查找目标元素
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
扩容机制
JDK8的源码（加入了红黑树，非常复杂，看不太懂）
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
//如果容量已经超过最大值，那就不做处理，随你去吧，碰撞就碰撞
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//如果没有超过最大值，那就扩充为原来的2倍；double threshold
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
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) {
//移动数据。
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
//把数据从旧的桶阵列（bucket）中移动到新的桶阵列（bucket）中
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
多线程不安全代码实例（基于JDK8）
JDK8的HashMap会存在ConcurrentModificationException（并发修改异常。数据覆盖）
/**
* @program: spring-cloud-alibaba-provider
* @description:HashMap多线程不安全
* @ClassName：HashMapThread
* @author: Mr.Wang
* @create: 2022-01-13 16:22
**/
public class HashMapThread {
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
MyThread myThread = new MyThread(map, "线程名字1：" + i);
myThread.start();
MyThread myThread1 = new MyThread(map, "线程名字2：" + i);
myThread1.start();
}
System.out.println("map size is: " + map.size());
//最终结果不确定。会出现并发修改异常，数据覆盖等问题
}
static class MyThread extends Thread {
public Map map;
public String name;
public MyThread(Map map, String name) {
this.map = map;
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
double i = Math.random() * 100000;
map.put("键" + i, "值" + i);
map.remove("键" + i);
}
}
}
扩容(resize)就是重新计算容量，向HashMap对象里不停的添加元素，而HashMap对象内部的数组无法装载更多的元素时，对象就需要扩大数组的长度，以便能装入更多的元素。当然Java里的数组是无法自动扩容的，方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组
JDK7扩容源码
1 void resize(int newCapacity) { //传入新的容量
2 Entry[] oldTable = table; //引用扩容前的Entry数组
3 int oldCapacity = oldTable.length;
4 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了
5 threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了
6 return;
7 }
8
9 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //初始化一个新的Entry数组
10 transfer(newTable); //！！将数据转移到新的Entry数组里
11 table = newTable; //HashMap的table属性引用新的Entry数组
12 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改阈值
13 }
//这里就是使用一个容量更大的数组来代替已有的容量小的数组，transfer()方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。
1 void transfer(Entry[] newTable) {
2 Entry[] src = table; //src引用了旧的Entry数组
3 int newCapacity = newTable.length;
4 for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍历旧的Entry数组
5 Entry<K,V> e = src[j]; //取得旧Entry数组的每个元素
6 if (e != null) {
7 src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象）
8 do {
9 Entry<K,V> next = e.next;
10 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新计算每个元素在数组中的位置
11 e.next = newTable[i]; //标记[1]
12 newTable[i] = e; //将元素放在数组上
13 e = next; //访问下一个Entry链上的元素
14 } while (e != null);
15 }
16 }
17 }
newTable[i]的引用赋给了e.next，也就是使用了单链表的头插入方式，同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置；这样先放在一个索引上的元素终会被放到Entry链的尾部(如果发生了hash冲突的话），这一点和Jdk1.8有区别。在旧数组中同一条Entry链上的元素，通过重新计算索引位置后，有可能被放到了新数组的不同位置上。
***JDK7的扩容方法HashMap#transfer()；某个线程执行过程中，被挂起，其他线程已经完成数据迁移，等CPU资源释放后被挂起的线程重新执行之前的逻辑，数据已经被改变，造成死循环、数据丢失。 *
