源码分析

要分析HashMap，先来回顾一下数据结构中的哈希表。什么是哈希表？是根据关键码值(Key)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做哈希函数，存放记录的数组叫哈希表。
比如关键字为k，则其值存放在f(k)的存储位置上。由此，不需比较便可直接取得所查记录。称这个对应关系f为哈希函数，按这个思想建立的表为散列表（哈希表）。

从这张图上我们可以知道：
1. 哈希表的大小是16
2. 哈希函数采用的是除留余数法，具体是 关键字对16取余
3. 处理冲突采用的是 链地址法（拉链法）

下面结合哈希表的结构来分析HashMap：

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{
        //........
    }

HashMap实现了Map接口，这个接口是Java1.2引入的，里面抽象了Map所要提供方法，并且其中还包含了一个Map.Entry接口。这个接口封装了Key-Value对，将其看成一个整体，那么其实Map<K, V>就变成了Set<Entry<K, V>>

再看HashMap中实现的Entry：

    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
        final int hash;
    }

在该类的属性中，key、value这两个比较好理解。另外还包含了一个自身类型的next，是不是很熟悉，想到了数据结构中的链表？对，HashMap中处理冲突就是使用了拉链法。而int类型的hash就表示了这个Entry的哈希值。先对这个结构有个大概的了解

再看HashMap中几个重要的属性：

    /**
     * 增长的哈希表，长度必须是2的N次方
     */
    transient Entry[] table;

    /**
     * map中存储的key-value对数
     */
    transient int size;

    /**
     * 临界值，即存储的key-value对的数量到达这个值时就要扩充了（等于size*loadFactor）
     */
    int threshold;

    /**
     * 负载因子（用于计算threshold）
     */
    final float loadFactor;

大致有一定了解后，下面来看看构造函数：

   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);

        // Find a power of 2 >= initialCapacity
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;

        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        table = new Entry[capacity];
        init();
    }

    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

对于这三个构造函数，总的来说，只需要两个参数，一个是哈希表的初始化大小，另一个是负载因子。通过这两个参数可以算出threshold，当HashMap中存储的key-value对的数量到达threshold后，那么哈希表就会扩容，一会我们分析put方法的时候来验证这一点。
下面就分析下put方法，这也是HashMap中最重要的方法之一：

  public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

HashMap中可以存在null的key或null的value（这点和HashTable不同）。所以这里单独处理了key为null的情况——调用了putForNullKey()方法：

    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

由于null的key不能进行hash计算，这里就直接将它的hash值置为0了，并且存到哈希表的第一个bucket中。若该bucket中没有存储数据，那么直接将该null-value作为Entry存进去。如果已经有Entry，那么判断是否存在key为null的Entry，如果有的话，则直接将oldValue替换掉，并返回oldValue。Entry究竟是如何添加到哈希表中的呢？我们来看下addEntry()方法：

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

先得到之前哈希表中该bucket的链表头，然后创建一个新的Entry将其作为新的链表头（也就是把next设为之前的链表头），所以后添加的entry会在链头的位置。并且每次在添加完之后都要判断size是否到达threshold，若到了临界值，那么就需要扩容了（resize）：

    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

若此时哈希表的长度已经到达了最大容量：1 << 30，那么该方法并不再扩容哈希表，只是将threshold的值设置为Integer.MAX_VALUE。而对于一般情况来说，用新的容量创建一个哈希表，然后再将老的哈希表的内容拷贝到新表中去，并指定新表作为HashMap中的哈希表，最后重新计算threshold。
其中新老表转换的方法是transfer()：

 void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

这里包含了两层循环：第一层是对表中每个bucket的遍历，而第二层就是对每个bucket中存储的链表的遍历。当然，由于底层哈希表结构发生了变化，那么对于原来存储的entry需要重新计算它应该放置的bucket的位置，然后再将它放置到该位置的链表头上去。这里计算bucket位置用到了indexFor()方法：

    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

对于我这种不懂位运算的小白来说，一时间真是无法了解其中的奥秘了。网上说：当length=2^n时，hashcode & (length-1) == hashcode % length。当然对于具体的原理我还是不清楚，这里且将它先当做取模运算，那就很好理解了。

刚才讲putForNullKey()方法而后调用了很多方法，下面分析一般非null的key的put，其实和putForNullKey()类似：

  public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

首先计算出key的哈希值，然后得到该key在哈希表中bucket的位置，若该bucket上存在Entry链，遍历该链表查找是否已经存在该key的Entry，若存在则用新的value替换老的value，若不存在，调用addEntry()方法添加到哈希表中去。

差不多put方法就分析完了，下面分析另一个重要的方法——get方法：

public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        int hash = hash(key.hashCode());
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

其实清楚了put方法之后，get方法也就很好理解了。和put一样，首先处理key为null的情况，getForNullKey()方法，还记得之前key为null存储在哪里吗？对，就是哈希表的第一个bucket上，所以应该是去遍历第一个bucket上的链表，找到其中key为null的Entry：

    private V getForNullKey() {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

而对于key非null的情况呢，首先计算出key的哈希值，然后得到该key在哈希表中的bucket位置，这个过程是非常快速高效的，否则只能通过遍历来查找，性能可想而知。找到bucket后，若该bucket中只有一个Entry，那么此时直接就找到了，这也是HashMap性能最好的情况——每个bucket上只有一个Entry。但实际情况往往不会这么理想，当某个bucket上有多个Entry时，则需要遍历Entry链来和key做匹配。

性能分析

讲完了HashMap的核心方法，下面对HashMap的性能进行一下分析，回顾上面的方法中，哪个方法是最耗时的？那肯定是resize方法了，因为它要重新创建一个哈希表，并将之前哈希表上的数据全部重新散列到新的哈希表上去。可以想象，随着HashMap的size越来越大，这样的resize肯定会消耗大量的性能。再想想我们为什么需要resize？因为往往需要resize的时候，哈希表中存储的数据已经很多，链表可能已经比较长，对于查找的性能会有比较严重的影响，基于此，才采用了resize的方法，让负载因子降下来。
那么，若早就知道HashMap大概的存储量时，我们可以在初始化时就指定好initCapacity，这样就能避免大量的resize计算了。比如说，我们有1000个元素new HashMap(1024)，这里为什么不new HashMap(1000)，还记得HashMap的构造函数吗？它会保证底层哈希表的长度为2的次方，也就是最小的大于传入的initCapacity的2的次方。但是若设为1000，还要进入while循环，所以1024更加妥当。 但是new HashMap(1024)还不是更合适的，因为0.75 * 1000 < 1000, 那么此时调用put就会进行resize，也就是说为了让0.75 * size > 1000, 我们必须这样new HashMap(2048)才最合适，既考虑了构造HashMap时的性能的问题，也避免了resize的问题。