JDK集合原始碼之HashMap決議(上)-有解無憂

宣告：轉載請附帶原文鏈接！

超長文章警告：耐心看下去肯定有識訓！

0.前言

提示：對于初識HashMap的小伙伴來說，不推薦直接硬啃，建議先看一下如下幾個視頻教程之后在回頭自己反復琢磨，(一遍不懂反復看，一小塊兒一小塊的找博客閱讀)

小劉老師講HashMap原始碼
黑馬程式員HashMap原始碼
小劉老師講紅黑樹

HashMap簡述：

HashMap 基于哈希表的 Map 介面實作，是以 key-value 存盤形式存在，即主要用來存放鍵值對，HashMap 的實作不是同步的，這意味著它不是執行緒安全的，它的 key、value 都可以為 null，此外，HashMap 中的映射不是有序的，
jdk1.8 之前 HashMap 由 陣列 + 鏈表 組成，陣列是 HashMap 的主體，鏈表則是主要為了解決哈希沖突（兩個物件呼叫的 hashCode 方法計算的哈希值經哈希函式算出來的地址被別的元素占用）而存在的（“拉鏈法”解決沖突），jdk1.8 以后在解決哈希沖突時有了較大的變化，當鏈表長度大于閾值（或者紅黑樹的邊界值，默認為 8 ）并且當前陣列的長度大于 64 時，此時此索引位置上的所有資料改為使用紅黑樹存盤，

HashMap擴容機制簡述：

HashMap == 陣列+散鏈表+紅黑樹

HashMap 默認初始桶位數16，如果某個桶中的鏈表長度大于8，則先進行判斷：
如果桶位數小于64，則先進行擴容(2倍)，擴容之后重新計算哈希值，這樣桶中的鏈表長度就變短了(之所以鏈表長度變短與桶的定位方式有關，請接著往下看)，
如果桶位數大于64，且某個桶中的鏈表長度大于8，則對鏈表進行樹化(紅黑樹，即自平衡的二叉樹)
如果紅黑樹的節點數小于6，樹也會重新變會鏈表，

所以得出樹化條件：鏈表閾值大于8，且桶位數大于64(陣列長度)，才進行樹化，

元素放入桶(陣列)中，定位桶的方式：通過陣列下標 i 定位，添加元素時，目標桶位置 i 的計算公式，i = hash & (cap - 1)，cap為容量，

為什么優先擴容桶位數(陣列長度)，而不是直接樹化？

這樣做的目的是因為，當桶位數(陣列長度)比較小時，應盡量避開紅黑樹結構，這種情況下變為紅黑樹結構，反而會降低效率，因為紅黑樹需要逬行左旋，右旋，變色這些操作來保持平衡，同時陣列長度小于64時，搜索時間相對要快些，所以結上所述為了提高性能和減少搜索時間，底層閾值大于8并且陣列長度大于64時，鏈表才轉換為紅黑樹，具體可以參考下文要講述的 treeifyBin() 方法，
而當閾值大于 8 并且陣列長度大于 64 時，雖然增了紅黑樹作為底層資料結構，結構變得復雜了，但是，長度較長的鏈表轉換為紅黑樹時，效率也變高了，

HashMap 特點：

存盤無序;
鍵和值位置都可以是 null，但是鍵位置只能存在一個 null;
鍵位置是唯一的，是由底層的資料結構控制的;
jdk1.8 前資料結構是鏈表+陣列，jdk1.8 之后是鏈表+陣列+紅黑樹;
閾值（邊界值）> 8 并且桶位數(陣列長度)大于 64，才將鏈表轉換為紅黑樹，變為紅黑樹的目的是為了高效的查詢;

1.HashMap存盤資料的程序

注意：相對于直接去讀HashMap原始碼來說，先debug一下其執行資料存盤的流程，更方便大家理解！

測驗代碼：

@Test
public void test01() {
    HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap();
    hashMap.put("a", 3);
    hashMap.put("b", 4);
    hashMap.put("c", 5);
    hashMap.put("a", 88888);// 修改
    System.out.println(hashMap);
}

輸出結果：

{a=88888, b=456, c=789}

執行流程分析：

首先，HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap();當創建 HashMap 集合物件的時候，HashMap 的構造方法并沒有創建陣列，而是在第一次呼叫 put 方法時創建一個長度是16 的陣列(即，16個桶) ，Node[] table （jdk1.8 之前是 Entry[] table）用來存盤鍵值對資料，
當向哈希表中存盤put("a", 3)的資料時，根據"a"字串呼叫 String 類中重寫之后的 hashCode() 方法計算出哈希值，然后結合陣列長度(桶數量)采用某種演算法計算出向 Node 陣列中存盤資料的空間索引值（比如table[i]，這里的i就是該Node陣列的空間索引），如果計算出的索引空間沒有資料(即，這個桶是空的)，則直接將<"a", 3>存盤到陣列中，

舉例：如果計算出的索引是 3，則存盤到如下桶位：
當向哈希表中存盤資料<"b", 4>時，假設算出的 hashCode() 方法結合數祖長度計算出的索引值也是3，那么此時陣列空間不是 null(即，這個桶目前不為空)，此時底層會比較 "a"和 "b" 的 hash 值是否一致，如果不一致，則在空間上劃出一個結點來存盤鍵值對資料對 <"b", 4>，這種方式稱為拉鏈法，
當向哈希表中存盤資料<"a", 88888>時，那么首先根據 "a"呼叫 hashCode() 方法結合陣列長度計算出索引肯定是 3，此時比較后存盤的資料"a"和已經存在的資料的 hash 值是否相等，如果 hash 值相等，此時發生哈希碰撞，那么底層會呼叫 "a"所屬類 String 中的 equals() 方法比較兩個內容是否相等：
- 相等：將后添加的資料的 value 覆寫之前的 value，
- 不相等：繼續向下和其他的資料的 key 進行比較，如果都不相等，則劃出一個結點存盤資料，如果結點長度即鏈表長度大于閾值 8 并且陣列長度大于 64 則將鏈表變為紅黑樹，
在不斷的添加資料的程序中，會涉及到擴容問題，當超出閾值（且要存放的位置非空）時，擴容，默認的擴容方式：擴容為原來容量的 2 倍，并將原有的資料復制過來，
綜上描述，當位于一個表中的元素較多，即 hash 值相等但是內容不相等的元素較多時，通過 key 值依次查找的效率較低，而 jdk1.8 中，哈希表存盤采用陣列+鏈表+紅黑樹實作，當鏈表長度（閾值）超過8且當前陣列的長度大于64時，將鏈表轉換為紅黑樹，這樣大大減少了查找時間，

簡單的來說，哈希表是由陣列+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實作的，如下圖所示：
jdk1.8 中引入紅黑樹的進一步原因：
- jdk1.8 以前 HashMap 的實作是陣列+鏈表，即使哈希函式取得再好，也很難達到元素百分百均勻分布，當 HashMap 中有大量的元素都存放到同一個桶中時，這個桶下有一條長長的鏈表，這個時候 HashMap 就相當于一個單鏈表，假如單鏈表有n個元素，遍歷的時間復雜度就是O(n)，完全失去了它的優勢，
- 針對這種情況，jdk1.8 中引入了紅黑樹（查找時間復雜度為 O(logn)）來優化這個問題，當鏈表長度很小的時候，即使遍歷，速度也非常快，但是當鏈表長度不斷變長，肯定會對查詢性能有一定的影響，所以才需要轉成樹，
總結：

在這里插入圖片描述

說明：

size 表示 HashMap 中鍵值對的實時數量(即，所存盤元素的數量)，注意這個不等于陣列的長度，
threshold（臨界值）= capacity（容量）* loadFactor（負載因子），這個值是當前已占用陣列長度的最大值，size 超過這個值就重新 resize（擴容），擴容后的 HashMap 容量是之前容量的2倍，

2.HashMap相關面試題

具體原理我們下文會具體分析，這里先大概了解下面試的時候會問什么，帶著問題去讀原始碼，便于理解！

HashMap 中 hash 函式是怎么實作的？還有哪些hash函式的實作方式？
答：
- 對 key 的 hashCode 做 hash 操作，如果key為null則直接賦哈希值為0，否則，無符號右移 16 位然后做異或位運算，如，代碼所示：(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
- 除上面的方法外，還有平方取中法，偽亂數法 和 取余數法，這三種效率都比較低，而無符號右移 16 位異或運算效率是最高的，
當兩個物件的 hashCode 相等時會怎么樣？
答：會產生哈希碰撞，若 key 值內容相同則替換舊的 value，不然連接到鏈表后面，鏈表長度超過閾值 8 就轉換為紅黑樹存盤，
什么是哈希碰撞，如何解決哈希碰撞？
答：只要兩個元素的 key 計算的哈希碼值相同就會發生哈希碰撞，jdk8 之前使用鏈表解決哈希碰撞，jdk8之后使用鏈表 + 紅黑樹解決哈希碰撞，
如果兩個鍵的 hashCode 相同，如何存盤鍵值對？
答：通過 equals 比較內容是否相同，
- 相同：則新的 value 覆寫之前的 value，
- 不相同：遍歷該桶位的鏈表(或者樹)：
  - 如果找到相同key，則覆寫該key對應的value；
  - 如果找不到，則將新的鍵值對添加到鏈表(或者樹)中；

3.HashMap繼承體系

在這里插入圖片描述
從繼承體系可以看出：

HashMap 實作了Cloneable介面，可以被克隆，
HashMap 實作了Serializable介面，屬于標記性介面，HashMap 物件可以被序列化和反序列化，
HashMap 繼承了AbstractMap，父類提供了 Map 實作介面，具有Map的所有功能，以最大限度地減少實作此介面所需的作業，

知識擴展：

通過上述繼承關系我們發現一個很奇怪的現象，就是 HashMap 已經繼承了AbstractMap 而 AbstractMap 類實作了Map 介面，那為什么 HashMap 還要在實作 Map 介面呢？同樣在 ArrayList 中 LinkedLis 中都是這種結構，
    
據 Java 集合框架的創始人 Josh Bloch 描述，這樣的寫法是一個失誤，在 Java 集合框架中，類似這樣的寫法很多，最幵始寫 Java 集合框架的時候，他認為這樣寫，在某些地方可能是有價值的，直到他意識到錯了，顯然的，jdk 的維護者，后來不認為這個小小的失誤值得去修改，所以就這樣保留下來了，

存盤結構(再過一遍)
在這里插入圖片描述
在Java中，HashMap的實作采用了（陣列 + 鏈表 + 紅黑樹）的復雜結構，陣列的一個元素又稱作桶，

在添加元素時，會根據hash值算出元素在陣列中的位置，如果該位置沒有元素，則直接把元素放置在此處，如果該位置有元素了，則把元素以鏈表的形式放置在鏈表的尾部，

當一個鏈表的元素個數達到一定的數量（且陣列的長度達到一定的長度）后，則把鏈表轉化為紅黑樹，從而提高效率，

陣列的查詢效率為O(1)，鏈表的查詢效率是O(k)，紅黑樹的查詢效率是O(log k)，k為桶中的元素個數，所以當元素數量非常多的時候，轉化為紅黑樹能極大地提高效率，

2.HashMap基本屬性與常量

/*
 * 序列化版本號
 */
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

/**
 * HashMap的初始化容量（必須是 2 的 n 次冪）默認的初始容量為16
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

/**
 * 最大的容量為2的30次方
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
 * 默認的裝載因子
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
 * 樹化閾值，當一個桶中的元素個數大于等于8時進行樹化
 */
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

/**
 * 樹降級為鏈表的閾值，當一個桶中的元素個數小于等于6時把樹轉化為鏈表
 */
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

/**
 * 當桶的個數達到64的時候才進行樹化
 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

/**
 * Node陣列，又叫作桶（bucket）
 */
transient Node<K,V>[] table;

/**
 * 作為entrySet()的快取
 */
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

/**
 * 元素的數量
 */
transient int size;

/**
 * 修改次數，用于在迭代的時候執行快速失敗策略
 */
transient int modCount;

/**
 * 當桶的使用數量達到多少時進行擴容，threshold = capacity * loadFactor
 */
int threshold;

/**
 * 裝載因子
 */
final float loadFactor;

（1）容量：容量為陣列的長度，亦即桶的個數，默認為16 ，最大為2的30次方，當容量達到64時才可以樹化，

（2）裝載因子：裝載因子用來計算容量達到多少時才進行擴容，默認裝載因子為0.75，

（3）樹化：樹化，當容量達到64且鏈表的長度達到8時進行樹化，當鏈表的長度小于6時反樹化，

2.1 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY

集合的初始化容量（必須是 2 的 n 次冪）:

// 默認的初始容量是16	1 << 4 相當于 1*2的4次方
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

面試問題：為什么必須是 2 的 n 次冪？如果輸入值不是 2 的冪比如 10 會怎么樣?

HashMap 構造方法可以指定集合的初始化容量大小，如：

// 構造一個帶指定初始容量和默認負載因子（0.75)的空 HashMap，
HashMap(int initialCapacity)

根據上述講解我們已經知道，當向 HashMap 中添加一個元素的時候，需要根據 key 的 hash 值，去確定其在陣列中的具體位置，HashMap 為了存取高效，減少碰撞，就是要盡量把資料分配均勻，每個鏈表長度大致相同，這個實作的關鍵就在把資料存到哪個鏈表中的演算法，

這個演算法實際就是取模，hash % length，而計算機中直接求余效率不如位移運算，所以原始碼中做了優化，使用 hash & (length - 1)，而實際上 hash % length 等于 hash & ( length - 1) 的前提是 length 是 2 的 n 次冪，(這段話是摘抄傳智播客鎖哥的，這個解釋確實很完美！)

例如，陣列長度為 8 的時候，3 & (8 - 1) = 3，2 & (8 - 1) = 2，桶的位置是(陣列索引)3和2，不同位置上，不碰撞，

再來看一個陣列長度(桶位數)不是2的n次冪的情況：

在這里插入圖片描述

從上圖可以看出，當陣列長度為9(非2 的n次冪)的時候，不同的哈希值hash， hash & (length - 1)所得到的陣列下標相等(很容易出現哈希碰撞)，

小結一下HashMap陣列容量使用2的n次冪的原因：（面試也會問）

在這里插入圖片描述

問題：如果創建HashMap物件時，輸入的陣列長度length是10，而不是2的n次冪會怎么樣呢？

HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap(10);

HashMap雙參建構式會通過tableSizeFor(initialCapacity)方法，得到一個最接近length且大于length的2的n次冪數(比如最接近10且大于10的2的n次冪數是16)

這一塊兒比較難理解，下文講構造方法的時候還會再舉例一個例子：

static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = cap - 1;
  n |= n >>> 1;
  n |= n >>> 2;
  n |= n >>> 4;
  n |= n >>> 8;
  n |= n >>> 16;
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

說明：

當在實體化 HashMap 實體時，如果給定了 initialCapacity，由于 HashMap 的 capacity 必須是 2 的冪，因此這個方法tableSizeFor(initialCapacity);用于找到大于等于 initialCapacity 的最小的 2 的冪，

分析：

int n = cap - 1;為什么要減去1呢？
防止 cap 已經是 2 的冪，如果 cap 已經是 2 的冪，又沒有這個減 1 操作，則執行完后面的幾條無符號操作之后，回傳的 capacity 將是這個 cap 的 2 倍(后面還會再舉個例子講這個)，
最后為什么有個 n + 1 的操作呢？

如果 n 這時為 0 了（經過了cap - 1后），則經過后面的幾次無符號右移依然是 0，回傳0是肯定不行的，所以最后回傳n+1最終得到的 capacity 是1，
注意：容量最大也就是 32bit 的正數，因此最后 n |= n >>> 16;最多也就 32 個 1（但是這已經是負數了，在執行 tableSizeFor 之前，對 initialCapacity 做了判斷，如果大于MAXIMUM_CAPACITY(2 ^ 30)，則取 MAXIMUM_CAPACITY，如果等于MAXIMUM_CAPACITY，會執行位移操作，所以這里面的位移操作之后，最大 30 個 1，不會大于等于 MAXIMUM_CAPACITY，30 個 1，加 1 后得 2 ^ 30），

完整例子：

在這里插入圖片描述

所以由結果可得，當執行完tableSizeFor(initialCapacity);方法后，得到的新capacity是最接近initialCapacity且大于initialCapacity的2的n次冪的數，

2.2 DEFAULT_LOAD_FACTOR

默認的負載因子（默認值 0.75）

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

2.3 MAXIMUM_CAPACITY

集合最大容量

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 2的30次冪

2.4 TREEIFY_THRESHOLD

當鏈表的值超過8則會轉為紅黑樹（jdk1.8新增）

// 當桶（bucket）上的結點數大于這個值時會轉為紅黑樹
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

面試問題：為什么 Map 桶中結點個數超過 8 才轉為紅黑樹？

8這個閾值定義在HashMap中，針對這個成員變數，在原始碼的注釋中只說明了 8 是 bin( bucket 桶)從鏈表轉成樹的閾值，但是并沒有說明為什么是 8，

在 HashMap 中有一段注釋說明：

Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we use them only when bins
contain enough nodes to warrant use (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too
small (due to removal or resizing) they are converted back to plain bins.  In usages with
well-distributed user hashCodes, tree bins are rarely used.  Ideally, under random hashCodes, 
the frequency of nodes in bins follows a Poisson distribution 
(http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) 
with a parameter of about 0.5 on average for the default resizing
threshold of 0.75, although with a large variance because of resizing granularity. Ignoring variance, 
the expected occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) / factorial(k)). The first values are:

翻譯：因為樹結點的大小大約是普通結點的兩倍，所以我們只在箱子包含足夠的結點時才使用樹結點(參見TREEIFY_THRESHOLD)，
當它們變得太小（由于洗掉或調整大小）時，就會被轉換回普通的桶，在使用分布良好的用戶 hashCode 時，很少使用樹箱，
理想情況下，在隨機哈希碼下，箱子中結點的頻率服從泊松分布，
默認調整閾值為0.75，平均引數約為0.5，盡管由于調整粒度的差異很大，忽略方差，串列大小k的預朗出現次數是(exp(-0.5)*pow(0.5, k) / factorial(k)
第一個值是：

0:    0.60653066
1:    0.30326533
2:    0.07581633
3:    0.01263606
4:    0.00157952
5:    0.00015795
6:    0.00001316
7:    0.00000094
8:    0.00000006
more: less than 1 in ten million

TreeNodes(樹) 占用空間是普通 Nodes(鏈表) 的兩倍，所以只有當 bin(bucket 桶) 包含足夠多的結點時才會轉成 TreeNodes，而是否足夠多就是由 TREEIFY_THRESH〇LD 的值決定的，當 bin(bucket 桶) 中結點數變少時，又會轉成普通的 bin(bucket 桶)，并且我們查看原始碼的時候發現，鏈表長度達到 8 就轉成紅黑樹，當長度降到 6 就轉成普通 bin(bucket 桶)，

這樣就解釋了為什么不是一開始就將其轉換為 TreeNodes，而是需要一定結點數之后才轉為 TreeNodes，說白了就是權衡空間和時間，

這段內容還說到：當 hashCode 離散性很好的時候，樹型 bin 用到的概率非常小，因為資料均勻分布在每個 bin 中，幾乎不會有 bin 中鏈表長度會達到閾值，但是在隨機 hashCode 下，離散性可能會變差，然而 jdk 又不能阻止用戶實作這種不好的 hash 演算法，因此就可能導致不均勻的資料分布，不理想情況下隨機 hashCode 演算法下所有 bin 中結點的分布頻率會遵循泊松分布，我們可以看到，一個 bin 中鏈表長度達到 8 個元素的槪率為 0.00000006，幾乎是不可能事件，所以，之所以選擇 8，不是隨便決定的，而是裉據概率統計決定的，甶此可見，發展將近30年的 Java 每一項改動和優化都是非常嚴謹和科學的，

面試答案：hashCode 演算法下所有桶中結點的分布頻率會遵循泊松分布，這時一個桶中鏈表長度超過 8 個元素的槪率非常小，權衡空間和時間復雜度，所以選擇 8 這個數宇，

擴展補充：

Poisson 分布（泊松分布），是一種統計與概率學里常見到的離散[概率分布]，泊松分布的概率函式為：

泊松分布的引數 A 是單位時間（或單位面積）內隨機事件的平均發生次數，泊松分布適合于描述單位時間內隨機事件發生的次數，
以下是我在研究這個問題時，在一些資料上面翻看的解釋，供大家參考：

紅黑樹的平均查找長度是 log(n)，如果長度為 8，平均查找長度為 log(8) = 3，鏈表的平均查找長度為 n/2，當長度為 8 時，平均查找長虔為 8/2 = 4，這才有轉換成樹的必要；鏈表長度如果是小于等于 6， 6/2 = 3，而 log(6) = 2.6，雖然速度也很快的，但是轉化為樹結構和生成樹的時間并不會太短，

2.5 UNTREEIFY_THRESHOLD

當鏈表的值小于 6 則會從紅黑樹轉回鏈表

// 當桶（bucket）上的結點數小于這個值，樹轉為鏈表 
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

2.6 MIN_TREEIFY_CAPACITY

當 Map 里面的數量超過這個值時，表中的桶才能進行樹形化，否則桶內元素太多時會擴容，而不是樹形化為了避免進行擴容、樹形化選擇的沖突，這個值不能小于4*TREEIFY_THRESHOLD(8)

// 桶中結構轉化為紅黑樹對應的陣列長度最小的值 
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

2.7 table(重點)

table 用來初始化（必須是二的n次冪）

// 存盤元素的陣列 
transient Node<K,V>[] table;

在 jdk1.8 中我們了解到 HashMap 是由陣列加鏈表加紅黑樹來組成的結構，其中 table 就是 HashMap 中的陣列，jdk8 之前陣列型別是 Entry<K,V> 型別，從 jdk1.8 之后是 Node<K,V> 型別，只是換了個名字，都實作了一樣的介面：Map.Entry<K,V>，負責存盤鍵值對資料的，

2.8 entrySet

用來存放快取

// 存放具體元素的集合
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

2.9 size(重點)

HashMap 中存放元素的個數

// 存放元素的個數，注意這個不等于陣列的長度
 transient int size;

size 為 HashMap 中 K-V 的實時數量，不是陣列 table 的長度，

2.10 modCount

用來記錄 HashMap 的修改次數

// 每次擴容和更改 map 結構的計數器
 transient int modCount;

2.11 threshold(重點)

用來調整大小下一個容量的值計算方式為（容量*負載因子）

// 臨界值 當實際大小（容量*負載因子）超過臨界值時，會進行擴容
int threshold;

2.12 loadFactor(重點)

哈希表的負載因子

// 負載因子
final float loadFactor;// 0.75f

說明：

loadFactor 是用來衡量 HashMap 滿的程度，表示HashMap的疏密程度，影響 hash 操作到同一個陣列位置的概率，計算 HashMap 的實時負載因子的方法為：size/capacity，而不是占用桶的數量去除以 capacity，capacity 是桶的數量，也就是 table 的長度 length，
loadFactor 太大導致查找元素效率低，太小導致陣列的利用率低，存放的資料會很分散，loadFactor 的默認值為 0.75f 是官方給出的一個比較好的臨界值，
當 HashMap 里面容納的元素已經達到 HashMap 陣列長度的 75% 時，表示 HashMap 太擠了，需要擴容，而擴容這個程序涉及到 rehash、復制資料等操作，非常消耗性能，所以開發中盡量減少擴容的次數，可以通過創建 HashMap 集合物件時指定初始容量來盡量避免，
在 HashMap 的構造器中可以定制 loadFactor，

// 構造方法，構造一個帶指定初始容量和負載因子的空HashMap
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor);

為什么負載因子loadFactor 設定為0.75，初始化臨界值threshold是12？

loadFactor 越趨近于1，那么陣列中存放的資料(entry)也就越多，也就越密，也就是會讓鏈表的長度增加，loadFactor 越小，也就是趨近于0，陣列中存放的資料(entry)也就越少，也就越稀疏，

如果希望鏈表盡可能少些，要提前擴容，有的陣列空間有可能一直沒有存盤資料，負載因子盡可能小一些，

舉例：

例如：負載因子是0.4， 那么16*0.4--->6 如果陣列中滿6個空間就擴容會造成陣列利用率太低了，
	 負載因子是0.9， 那么16*0.9--->14 那么這樣就會導致鏈表有點多了，導致查找元素效率低，

所以既兼顧陣列利用率又考慮鏈表不要太多，經過大量測驗 0.75 是最佳方案，

threshold 計算公式：capacity(陣列長度默認16) * loadFactor(負載因子默認0.75)==12，

這個值是當前已占用陣列長度的最大值，當 Size >= threshold(12) 的時候，那么就要考慮對陣列的 resize(擴容)，也就是說，這個的意思就是 衡量陣列是否需要擴增的一個標準， 擴容后的 HashMap 容量是之前容量的兩倍，

3.內部類

3.1Node內部類

Node是一個典型的單鏈表節點，其中，hash用來存盤key計算得來的hash值，

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;// hash用來存盤key計算得來的hash值
    final K key;// 鍵
    V value;// 值
    Node<K,V> next;// 下一個node節點
    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() {// 呼叫底層c++ 回傳Key/Value的哈希碼值，如果此物件為null,則回傳0
        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);// 將Key/Vaule
    }
    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;
    }
}

3.2TreeNode內部類

TreeNode內部類，它繼承自LinkedHashMap中的Entry類，關于LInkedHashMap.Entry這個類之后會單獨發文章論述，TreeNode是一個典型的樹型節點，其中，prev是鏈表中的節點，用于在洗掉元素的時候可以快速找到它的前置節點，

// 位于HashMap中,文章接下來會逐步分析
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;
}

// 位于LinkedHashMap中，典型的雙向鏈表節點，這個類之后會單獨發文章論述
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

4.HashMap構造方法

HashMap 中重要的構造方法，它們分別如下：

4.1 HashMap()

構造一個空的HashMap，默認初始容量（16）和默認負載因子（0.75），

public HashMap() {
   // 將默認的負載因子0.75賦值給loadFactor，并沒有創建陣列
   this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
}

4.2 HashMap(int initialCapacity)

構造一個具有指定的初始容量和默認負載因子（0.75）HashMap ，

// 指定“容量大小”的建構式
public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

4.3 HashMap(int initialCapacity，float loadFactor)構造方法

構造一個具有指定的初始容量和負載因子的 HashMap，

/*
	 指定“容量大小”和“負載因子”的建構式
	 initialCapacity：指定的容量
	 loadFactor:指定的負載因子
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    	// 判斷初始化容量initialCapacity是否小于0
        if (initialCapacity < 0)
            // 如果小于0，則拋出非法的引數例外IllegalArgumentException
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
    	// 判斷初始化容量initialCapacity是否大于集合的最大容量MAXIMUM_CAPACITY
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            // 如果超過MAXIMUM_CAPACITY，會將MAXIMUM_CAPACITY賦值給initialCapacity
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    	// 判斷負載因子loadFactor是否小于等于0或者是否是一個非數值
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            // 如果滿足上述其中之一，則拋出非法的引數例外IllegalArgumentException
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
     	// 將指定的負載因子賦值給HashMap成員變數的負載因子loadFactor
        this.loadFactor = loadFactor;// 一般不建議修改默認的負載因子
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
	// 最后呼叫了tableSizeFor，來看一下方法實作：
     /*
     	回傳比指定cap容量大的最小2的n次冪數：
     	前面第一遍講述的應該有些小伙伴難以理解，這里我在舉例決議一下：
     	-------------------------------------------------------
     	首先假定傳入的cap = 10
     	則，n = 10 -1 => 9
     	n |= n >>> 1 就等同于 n = (n | n >>> 1),所以：
     	(位運算不懂的可以去看我的《Java基礎提高之位運算》這篇文章)
     	9 => 0b1001    9 >>> 1 => 0b0100 
     	n |= n >>> 1;  ===>  0b1001 | 0b0100 => 0b1101
     	n |= n >>> 2;  ===>  0b1101 | 0b0011 => 0b1111
        n |= n >>> 4;  ===>  0b1111 | 0b0000 => 0b1111
        n |= n >>> 8;  ===>  0b1111 | 0b0000 => 0b1111
        n |= n >>> 16; ===>  0b1111 | 0b0000 => 0b1111
        得到：
        0b1111 => 15
        回傳：
        return 15 + 1 => 16
        -------------------------------------------------------
        如果cap 不減去1，即直接使n等于cap的話，int n = cap;
        我們繼續用上邊回傳的cap => 16 傳入tableSizeFor(int cap)：
        
        cap = 16
        n = 16
        16 => 0b10000  16 >>> 1 => 0b01000
        n |= n >>> 1;  ===>  0b10000 | 0b01000 => 0b11000
        n |= n >>> 2;  ===>  0b11000 | 0b00110 => 0b11110
        n |= n >>> 4;  ===>  0b11110 | 0b00001 => 0b11111
        n |= n >>> 8;  ===>  0b11111 | 0b00000 => 0b11111
        n |= n >>> 16; ===>  0b11111 | 0b00000 => 0b11111
        得到：
        0b11111 => 31
        回傳 return 31 +1 => 32
        
        而實際情況是應該傳入cap = 16 , n = cap -1 = 15
        15 => 0b1111 
        
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        經過上面運算后得到：還是15
        
        回傳結果：
        return 15 + 1 = 16
        所以我們得出結果：
        防止 cap 已經是 2 的冪數情況下，沒有這個減 1 操作，
        則執行完幾條無符號位移或位運算操作之后，回傳的cap(32)將是實際所需cap(16)的 2倍，
     */
    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

說明：

對于this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 疑問?

**tableSizeFor(initialCapacity)**判斷指定的初始化容量是否是2的n次冪，如果不是那么會變為比指定初始化容量大的最小的2的n次冪，

但是注意，在tableSizeFor方法體內部將計算后的資料回傳給呼叫這里了，并且直接賦值給threshold邊界值了，有些人會覺得這里是一個bug，應該這樣書寫：
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity) * this.loadFactor;

這樣才符合threshold的意思（當HashMap的size到達threshold這個閾值時會擴容）

但是請注意，在jdk8以后的構造方法中，并沒有對table這個成員變數進行初始化，table的初始化被推遲到了put方法中，在put方法中會對threshold重新計算，

4.4 HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

包含另一個 “Map” 的建構式

// 構造一個映射關系與指定 Map 相同的新 HashMap，
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    	// 負載因子loadFactor變為默認的負載因子0.75
         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
         putMapEntries(m, false);
 }

最后呼叫了 putMapEntries()，來看一下方法實作：

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    //獲取引數集合的長度
    int s = m.size();
    if (s > 0) {//判斷引數集合的長度是否大于0
        if (table == null) { // 判斷table是否已經初始化
                // 未初始化，s為m的實際元素個數
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;// 得到新的擴容閾值
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);// 新的擴容閾值float自動向下轉型為int
            
                // 計算得到的t大于閾值，則初始化閾值，將其變為符合要求的2的n次冪數
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 如果table已初始化過了，并且m元素個數大于閾值，進行擴容處理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 將m中的所有元素添加至HashMap中
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            // 得到的key 和 value 放入 hashmap
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}

注意：

面試問題：float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; 這一行代碼中為什么要加 1.0F ？

(float)s/loadFactor 的結果是小數，加 1.0F 與 (int)ft 相當于是對小數做一個向上取整以盡可能的保證更大容量，更大的容量能夠減少 resize 的呼叫次數(為了效率，應當盡量減少擴容的次數)，所以 + 1.0F 是為了獲取更大的容量，

例如：原來集合的元素個數是 6 個，那么 6/0.75 是8，由于8是 2 的n次冪，那么

if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t);執行過后，新的陣列大小就是 8 了，然后原來陣列的資料就會存盤到長度是 8 的新的陣列中了，這樣會導致在存盤元素的時候，容量不夠，還得繼續擴容，那么性能降低了，而如果 +1 呢，陣列長度直接變為16了，這樣可以減少陣列的擴容，

由于篇幅太長，不易閱讀，我分成兩篇文章：JDK集合原始碼之HashMap決議(下)

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標籤：java

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