一、HashMap

1.1HashMap的實作原理：

首先有一個每個元素都是鏈表（jdk1.8中滿足特定條件后鏈表轉化為紅黑樹）的陣列，當要添加一個元素（key-value）時，就首先計算元素key的hash值，然后 使用函式f(hash)=(n - 1) & hash 以此確定插入陣列中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已經被放在陣列同一位置了，這時就添加到同一hash值的元素的后面，他們在陣列的同一位置，但是形成了鏈表，同一各鏈表上的Hash值是相同的，所以說陣列存放的是鏈表，而當鏈表長度太長時，鏈表就轉換為紅黑樹，這樣大大提高了查找的效率，

1.2HashMap資料結構

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //陣列上容器的最大個數
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//裝載因子
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//樹形化閾值；單個容器上鏈表長度>=8符合樹形化條件
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;//調整大小時，單個容器上鏈表長度<6取消樹形態的閾值
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;//樹形化閾值；表容量>=64符合樹形化的條件

位桶資料結構（鏈表陣列）

transient Node<k,v>[] table;//存盤（位桶）的陣列</k,v>

陣列鏈表中鏈表的節點定義

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//哈希值
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;//下一個節點

        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() {
            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;
        }
    }

紅黑樹資料結構

//紅黑樹
static final class TreeNode<k,v> extends LinkedHashMap.Entry<k,v> {
    TreeNode<k,v> parent;  // 父節點
    TreeNode<k,v> left; //左子樹
    TreeNode<k,v> right;//右子樹
    TreeNode<k,v> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;    //顏色屬性
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<k,v> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }
 
    //回傳當前節點的根節點
    final TreeNode<k,v> root() {
        for (TreeNode<k,v> r = this, p;;) {
            if ((p = r.parent) == null)
                return r;
            r = p;
        }
    }

二、HashMap

2.1.put()操作

原始碼如下（示例）：

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
	 /**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; 
	Node<K,V> p; 
	int n, i;
	/*如果table為慷訓者table的長度為0，則要進行擴容操作，初始擴容大小為16*/
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
	/*如果table的在（n-1）&hash的值是空，就新建一個節點插入在該位置*/
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
	/*表示有沖突,開始處理沖突*/
        else {
            Node<K,V> e; 
	    K k;
			/*檢查第一個Node，p是不是要找的值*/
            if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
    		/*檢查第一個Node，P是否是紅黑樹節點*/
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
     		/*處理添加沖突*/
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
					/*指標為空就掛在后面*/
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
		       		  /*如果沖突的節點數已經達到8個，看是否需要改變沖突節點的存盤結構，　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　	treeifyBin首先判斷當前table的長度，如果不足64，只進行resize()
　　　　　　　　　　　　	操作，擴容table，如果table長度達到64，那么將沖突的存盤結構為紅黑樹*/
　　　　　　　　　　　　	//TREEIFY_THRESHOLD = 8
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
					/*如果有相同的key值就結束遍歷*/
                    if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
			/*就是鏈表上有相同的key值*/
            if (e != null) { // existing mapping for key，就是key的Value存在
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;//新值賦給當前節點
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;//回傳存在的舊Value值
            }
        }
        ++modCount;
    	 /*如果當前大小大于門限，門限原本是初始容量*0.75*/
        if (++size > threshold)
            resize();//擴容兩倍
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

put()操作的程序
1，判斷鍵值對陣列tab[]是否為慷訓為null，否則以默認大小resize()；
2，根據鍵值key計算hash值得到插入的陣列索引 i，如果tab[i]==null，直接新建節點添加，否則轉入3
3，判斷當前陣列中處理hash沖突的方式為鏈表還是紅黑樹(check第一個節點型別即可),分別處理

2.2.get()操作

代碼如下（示例）：

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
	  /**
     * Implements Map.get and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
	final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab;//Entry物件陣列
	Node<K,V> first,e; //在tab陣列中經過散列的第一個位置
	int n;
	K k;
		/*找到插入的第一個Node，方法是hash值和n-1相與，tab[(n - 1) & hash]*/
		//也就是說在一條鏈上的hash值相同的
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
			/*檢查第一個Node是不是要找的Node*/
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //判斷條件是hash值要相同，key值要相同
                return first;
	 		 /*檢查first后面的node*/
            if ((e = first.next) != null) {
            	//判斷是否是紅黑樹節點
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
					/*遍歷后面的鏈表，找到key值和hash值都相同的Node*/
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

get()操作的程序
1.get(key)方法時獲取key的hash值，計算hash&(n-1)得到在鏈表陣列中的位置first=tab[hash&(n-1)],
2.先判斷first的key是否與引數key相等
3.不等就遍歷后面的鏈表（或紅黑樹結構）
4.找到相同的key值、相同的hash 值回傳對應的Value值即可

2.3.resize()操作

  /**
     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
     * accord with initial capacity target held in field threshold.
     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
     * elements from each bin must either stay at same index, or move
     * with a power of two offset in the new table.
     *
     * @return the table
     */
    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;//newCap：擴容后的鏈表陣列容量newThr：下一次擴容的容量閾值
		
		/*如果舊表的長度不是空*/
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
			/*把新表的長度設定為舊表長度的兩倍，newCap=2*oldCap*/
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
	      		/*把新表的門限設定為舊表門限的兩倍，newThr=oldThr*2*/
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
		
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
            
       /*如果舊表的長度的是0，就是說第一次初始化表*/
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        /*如果新表*/
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;//新表長度乘以加載因子
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;//新的擴容閾值賦值給外部成員變數，為下一次擴容做準備
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        
		/*下面開始構造新表，初始化表中的資料*/
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;//把新表賦值給table
        if (oldTab != null) {//原表不是空要把原表中資料移動到新表中	
            /*遍歷原來的舊表*/		
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)//說明這個node沒有鏈表直接放在新表的e.hash & (newCap - 1)位置
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
					/*如果e后邊有鏈表,到這里表示e后面帶著個單鏈表，需要遍歷單鏈表，將每個結點重*/
                    else { // preserve order保證順序
					新計算在新表的位置，并進行搬運
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;//記錄下一個結點
			 			 //新表是舊表的兩倍容量，實體上就把單鏈表拆分為兩隊，
　　　　　　　　　　　　　　//e.hash&oldCap為偶數一隊，e.hash&oldCap為奇數一對
　　　　　　　　　　　　　　//分成兩隊尾插法插入
                            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);
                        
						//lo隊不為null，放在新表原位置
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;//結束后頭結點掛在陣列上
                        }
                        
                        //hi隊不為null，放在新表j+oldCap位置
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;//結束后頭結點掛在陣列上
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

總結

HashMap在jdk1.8相比1.7增加了紅黑樹，以增加查詢效率，

紅黑樹使用條件
如果某個桶容器中的記錄過大的話（當前是TREEIFY_THRESHOLD = 8以及table表的長度大于64時），HashMap會動態的使用一個專門的treemap實作來替換掉它，這樣做的結果會更好，是O(logn)，而不是糟糕的O(n)，

擴展問題

• HashMap中的裝載因子為什么是0.75？
• HashMap執行緒安全嗎？
• HashMap實作執行緒安全有哪些操作？
• 這些操作中分別是怎么實作執行緒安全的？
• 你知道紅黑樹的原理嗎？

參考文章鏈接: https://blog.csdn.net/tuke_tuke/article/details/51588156.