HashMap 的实现结构

hashmap基于哈希表实现，继承了AbstractMap并实现了Map接口。 HashMap是根据键的Hash值来决定对应值的存储位置。通过这种索引方式，HashMap获取数据的速度会非常快。

例如，存储键值对（x，“aa”）时，哈希表会通过哈希函数 f(x) 得到"aa"的实现存储位置。也会有新的问题，如果再来一个 (y，“bb”)，哈希函数 f(y) 的哈希值跟之前 f(x) 是一样的，这样两个对象的存储地址就冲突了，这种现象就被称为哈希冲突，可以使用开放定址法、再哈希函数法和链地址法解决。

开放定址法很简单，当发生哈希冲突时，如果哈希表未被装满，说明在哈希表中必然还有空位置，那么可以把 key 存放到冲突位置的空位置上去。这种方法存在着很多缺点，例如，查找、扩容等，

再哈希法顾名思义就是在同义词产生地址冲突时再计算另一个哈希函数地址，直到冲突不再发生，这种方法不易产生“聚集”，但却增加了计算时间。如果我们不考虑添加元素的时间成本，且对查询元素的要求极高，就可以考虑使用这种算法设计。

HashMap则是综合考虑了所有因素，采用链地址法解决哈希冲突问题。这种方法是采用了数组（哈希表）+ 链表的数据结构，当发生哈希冲突时，就用一个链表结构存储相同Hash值的数据。

HashMap 的重要属性

HashMap是由一个Node数组构成，每个Node包含了一个key-value键值对。

transient Node<K,V>[] table;

Node 类作为 HashMap 中的一个内部类，除了key、value两个属性外，还定义了一个next指针。当有哈希冲突时，HashMap会用之前数组当中相同哈希值对应存储的Node对象，通过指针指向新增的相同哈希值的 Node 对象的引用。

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;
	}
}

HashMap 还有两个重要的属性：加载因子（loadFactor）和边界值（threshold）。在初始化HashMap时，就会涉及到这两个关键初始化参数。

LoadFactor属性是用来间接设置Entry数组（哈希表）的内存空间大小，在初始HashMap不设置参数的情况下，默认LoadFactor值为0.75。为什么是0.75这个值呢？

Entry数组的Threshold是通过初始容量和LoadFactor计算所得，在初始HashMap不设置参数的情况下，默认边界值为12。如果我们在初始化时，设置的初始化容量较小，HashMap中Node的数量超过边界值，HashMap就会调用resize()方法重新分配table数组。这将会导致HashMap的数组复制，迁移到另一块内存中去，从而影响HashMap的效率。

HashMap 添加元素优化

初始化完成后，HashMap就可以使用put()方法添加键值对了。从下面源码可以看出，当程序将一个key-value对添加到HashMap中，程序首先会根据该key的hashCode()返回值，再通过hash()方法计算出hash值，再通过putVal方法中的(n - 1) & hash决定该Node的存储位置。

在JDK1.8中，HashMap引入了红黑树数据结构来提升链表的查询效率。这是因为链表的长度超过8后，红黑树的查询效率要比链表高，所以当链表超过8时，HashMap就会将链表转换为红黑树，这里值得注意的一点是，这时的新增由于存在左旋、右旋效率会降低。讲到这里，前面提到的“因链表过长而导致的查询时间复杂度高”的问题，也就迎刃而解了。

HashMap 获取元素优化

当HashMap中只存在数组，而数组中没有Node链表时，是HashMap查询数据性能最好的时候。一旦发生大量的哈希冲突，就会产生 Node 链表，这个时候每次查询元素都可能遍历 Node 链表，从而降低查询数据的性能。

特别是在链表长度过长的情况下，性能将明显降低，红黑树的使用很好地解决了这个问题，使得查询的平均复杂度降低到了 O(log(n))，链表越长，使用黑红树替换后的查询效率提升就越明显。

我们在编码中也可以优化 HashMap 的性能，例如，重写 key 值的 hashCode() 方法，降低哈希冲突，从而减少链表的产生，高效利用哈希表，达到提高性能的效果。

HashMap 扩容优化

HashMap 也是数组类型的数据结构，所以一样存在扩容的情况。

JDK 1.8 中，HashMap 对扩容操作做了优化。由于扩容数组的长度是 2 倍关系，所以对于假设初始 tableSize = 4 要扩容到 8 来说就是 0100 到 1000 的变化（左移一位就是2 倍），在扩容中只用判断原来的 hash 值和左移动的一位（newtable 的值）按位与操作是 0 或 1 就行，0 的话索引不变，1 的话索引变成原索引加上扩容前数组。

之所以能通过这种“与运算“来重新分配索引，是因为 hash 值本来就是随机的，而 hash按位与上 newTable 得到的 0（扩容前的索引位置）和 1（扩容前索引位置加上扩容前数组长度的数值索引处）就是随机的，所以扩容的过程就能把之前哈希冲突的元素再随机分布到不同的索引中去。

总结

HashMap 通过哈希表数据结构的形式来存储键值对，这种设计的好处就是查询键值对的效率高。

在使用 HashMap 时，可以结合自己的场景来设置初始容量和加载因子两个参数。当查询操作较为频繁时，我们可以适当地减少加载因子；如果对内存利用率要求比较高，我可以适当的增加加载因子。

我们还可以在预知存储数据量的情况下，提前设置初始容量（初始容量 = 预知数据量 / 加载因子）。这样做的好处是可以减少 resize() 操作，提高 HashMap 的效率。

HashMap 还使用了数组 + 链表这两种数据结构相结合的方式实现了链地址法，当有哈希值冲突时，就可以将冲突的键值对链成一个链表。

但这种方式又存在一个性能问题，如果链表过长，查询数据的时间复杂度就会增加。HashMap 就在 Java8 中使用了红黑树来解决链表过长导致的查询性能下降问题。以下是HashMap 的数据结构图：

参考自：阿里调优手册