1 前言
基础不牢，地动山摇！！！ 日常业务开发HashMap我们用的非常多，最常用的做法一般是会先从数据库查询出查出一个List，转成我们需要的Map，根据Map中的key值找出业务中需要的value。
2 概述
本文基于JDK1.8分析，为了能对HashMap整体框架的把握，对某些细节不做过多的分析（例如红黑树是怎么实现的）。
2.1 继承体系
HashMap的继承体系如下：主要是实现了Map接口和继承AbstactMap类
2.2 底层数据结构
HashMap的底层数据结构是数组+链表或者红黑树，当发生hash碰撞时形成链表，当链表长度大于8并且数组长度不小于64（图中为了展示红黑树忽略了这点）时转成红黑树。
2.3 主要知识点
我们先通过思维导图整体了解下本文主要涉及的知识点。
3源码分析
3.1 成员变量
// HashMap底层的数据结构，是一个对象为Node的数组
transient Node<K,V>[] table;
// 阈值，等于table * loadFactor，当添加的元素数量超过阈值的大小数组就会扩容，
// 注意这里是添加的元素的个数不是table中数组下标不为空的个数
int threshold;
// 加载因子
final float loadFactor;
3.2 构造方法（初始化）
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
无参构造方法比较简单，只对加载因子赋初始值。
/**
* initialCapacity: 指定初始化容量，也就是table的大小
* loadFactor：指定加载因子大小
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
// 返回大于输入参数且最近的2的整数次幂的数
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
在这里我们主要是要知道tableSizeFor方法的作用，方法的细节不深究，为什么阈值threshold必须是2的整数次幂等，其实在put方法中添加第一个元素时，在resize方法会判断threshold是否大于0，如果大于0则赋值给新的数组，相当于threshold就等于table的大小，暂时不理解没关系，继续往下看。
3.3 put方法（添加元素）
put方法会调用putVal方法，整体逻辑并不复杂。
public V put(K key, V value) {
// hash(key)方法算出key的hash值，比如对于整数1来说，hash值就是1
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;
// table没有初始化则先通过resize方法进行初始化，阈值threshold和table都会初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 取模定位到桶下标位置，如果桶为空，则给桶赋值
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// 如果该桶有值，则从该桶的链表或者红黑树添加元素
else {
Node<K,V> e; K k;
// 如果与第一个节点的key相同，把p赋值给e
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 如果节点是红黑树树节点，调用红黑树的添加方法
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 如果是链表节点，添加到链表尾
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，转化成红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// e不为空，说明是重复添加元素，把原来旧的值替换为新的值
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 如果添加的元素大小大于阈值，则进行扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
3.4 resize方法（扩容机制）
从我们上面分析的put方法可知，会有两种情况触发调用resize方法，第一种是当table数组没有初始化的时候，第二种是当添加元素超过阈值时候，那么我们可以猜测resize方法的作用就是初始化数组和扩容，先通过图片大致了解扩容机制。
图1.4.1
上图数组初始长度为4，加载因子是默认值0.75，可以得出阈值threshold = 4 * 0.75 = 3，假如添加元素顺序是(1,1)、(5,5)、(9,9)、(13,13)，那么当添加(13,13)，此时元素个数为4大于3则触发扩容。final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
// 如果旧数组大小大于0
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 新数组和阈值都扩大到原来的两倍，oldCap << 1 算术左移相当于乘以2
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 如果旧数组没有初始化，则把当前阈值大小赋值给新数组大小，这里就说明了在构造函数对threshold赋值
// 为初始化容量大小的作用（对应HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)）
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
// 否则，初始化默认的大小（对应无参构造函数HashMap()）
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;
// 这里是重点，扩容后旧数组的元素怎么迁移到新数组
if (oldTab != null) {
// 遍历旧数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
// 如果当前下标桶不为空
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 如果当前桶只有一个元素时，定位到新的数组位置
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
// 如果当前下标元素是红黑树，重新构建红黑树（不是本文重点，不分析了）
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
// 如果是链表，则进行节点重新迁移，可参考图1.4.1
else { // preserve order
// 重新计算下标位置，两个链表，一个是位置不变的链表lo，一个是旧下标+oldCap的链表hi
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 与旧数组大小做与运算，如果为0则放到lo链表，否则放到hi链表，
// 这里为什么和旧数组大小做与运算，我的理解是一个链表上的元素是差为oldCap的等
// 差数列（排好序），& oldCap出现为0和不为0的概率是相等的，所以lo和hi的数量大小基本是相同的
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;
}
通过上面的分析已经清晰了很多，最后这里还有个疑问重新计算下标的时候为什么不是通过hash值和新数组大小取模，而是通过与旧数组大小做与运算 判断是否为0的方式来重新定位，有知道的小伙伴可以评论下。
3.5 get方法和remove方法（查找和删除）
关于查找和删除方法逻辑和put方法其实差不太多，这里就不展开分析了。
3.6 HashMap遍历相关
HashMap遍历的方式有3种，但每种都有不同的实现，删除只有迭代器方式是安全的，本文只要分析迭代器(iterator)的方式，其他只给出使用的例子。
3.6.1 使用keySet迭代器进行遍历
下面是使用的例子，主要通过keySet()的方式迭代
HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
map.put(1, 1);
map.put(2, 2);
// 使用迭代器方式遍历
Iterator<Integer> iterator = map.keySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer key = iterator.next();
System.out.println(key + "=" + map.get(key));
}
// 这种方式实际也是使用迭代器，会调用iterator方法，接着调用hasNext()、next()方法，实际和上面的方式是一样的
for (Integer key : map.keySet()) {
System.out.println(key + "=" + map.get(key));
}
我们先看下keySet方法的源码
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
if (ks == null) {
ks = new KeySet();
keySet = ks;
}
return ks;
}
这里返回了一个KeySet实例，KeySet继承了AbstractSet，再看迭代器方法iterator()返回了KeyIterator实例，最终可以看到KeyIterator继承了HashIterator，我们重点来看下HashIterator
abstract class HashIterator {
Node<K,V> next; // next entry to return
Node<K,V> current; // current entry
int expectedModCount; // for fast-fail
int index; // current slot
HashIterator() {
// 创建迭代器时，modCount赋值给expectedModCount，防止并发修改的情况
expectedModCount = modCount;
Node<K,V>[] t = table;
current = next = null;
index = 0;
// 找到第一个数据不为空的桶的下标，赋值给index
if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
// next方法最终会调用nextNode方法
final Node<K,V> nextNode() {
Node<K,V>[] t;
// 把下一个节点赋值给e
Node<K,V> e = next;
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
// 要先调用hasNext方法判断，否则可能会抛出NoSuchElementException异常
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
// 如果当前桶已经遍历完，查找下一个有数据的桶
if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
return e;
}
public final void remove() {
Node<K,V> p = current;
if (p == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
current = null;
K key = p.key;
removeNode(hash(key), key, null, false, false);
expectedModCount = modCount;
}
}
KeyIterator和ValueIterator都继承了HashIterator，因此key遍历和value遍历基本上一样。
3.6.2 使用entrySet迭代器进行遍历
下面是使用的例子，主要通过entrySet()的方式迭代
HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
map.put(1, 1);
map.put(2, 2);
// 使用迭代器方式遍历
Iterator<Map.Entry<Integer, Integer>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Map.Entry<Integer, Integer> entry = iterator.next();
System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getKey());
}
// 这种方式实际也是使用迭代器，会调用iterator方法，
// 接着调用hasNext()、next()方法，实际和上面的方式是一样的
for (Map.Entry<Integer, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getKey());
}
继续来看源码
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> es;
return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
}
final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public final int size() { return size; }
public final void clear() { HashMap.this.clear(); }
public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return new EntryIterator();
}
// 省略了其他源码
}
返回了EntrySet，和KeySet、ValueSet一样都继承了AbstractSet，里面的元素是Map.Entry<K,V>类型，实际类型是Node<K,V>，iterator方法返回了EntryIterator，EntryIterator同样也继承了HashIterator。到这里我们可以看到无论是KeySet、ValueSet还是EntrySet的迭代器的父类其实都是同一个，这里代码复用的思想可以学习下。
4 后语
对HashMap的源码分析就到此了，由于水平和精力都有限，还有很多细节和关键点都没有分析到，不知道这样写下来是否能表达明白，如果对大家有那么一点点帮助，实属荣幸！！
