底层数据结构

首先通过源码，类中的field如下，

transient Node
    
     [] table;transient Set
     
      
       > entrySet;transient int size;transient int modCount;int threshold;final float loadFactor;
      
     
    

其中 Node, Map.Entry 是两个比较核心的数据结构，先看下Node的定义

1. Map.Entry

Map接口中内部定义的接口, 提供了操作Map中键值对的基本方法

一个Entry对象，代表了Map中的一个键值对，可以通过它获取key，value也可以重新设置value

interface Entry
    
      {  K getKey();  V getValue();  V setValue(V value);  boolean equals(Object o);  int hashCode();}
    

依次说明下上面的每个方法的作用

获取键 ： K getKey()

获取值 ： V getValue()

设置值 : V setValue(V value)

haseCode 方法

返回entry 的 hash code, 定义如下：

(e.getKey()==null   ? 0 : e.getKey().hashCode()) ^(e.getValue()==null ? 0 : e.getValue().hashCode())

确保两个 Entry对象 equals返回true，则hashcode的值必然相同

equals 方法

当两个entry对象表示的是同一个映射关系时，返回true

规则如下

(e1.getKey()==null ? e2.getKey()==null : e1.getKey().equals(e2.getKey()))   &&(e1.getValue()==null ? e2.getValue() ==null : e1.getValue().equals(e2.getValue()))

2. Node<K, V>

作为HashMap中对 Map.Entry的实现，具体逻辑如下

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

说明

• hash 这个字段是干嘛的
• 为什么要有一个next元素

3. Node<K,V>[] table; 说明

按我们的理解，map是一个kv结构，每个Node对象表示的就是一个kv对，那么这个table应该就是保存所有的kv对的数据结构了

为什么会是一个数组？ 怎么根据key来定位kv对在数组中的位置?

a. 前置说明

table数组大小，必须为2的n次方，首次使用是初始化，必要时（如添加新的kv对时）可以扩充容量

要了解这个数组的使用过程，最佳的思路就是通过三个方法来定位了

1. new HashMap<>() 创建对象时，数组的初始化
2. put(k,v) 添加kv时，数组的扩容以及塞值
3. get(k) 通过key获取value时，在数组中的定位

b. 创建对象

构造方法如下，主要是设置了阀值，loadFactory (后面说其用处)

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {    // 参数合法性校验省略        this.loadFactor = loadFactor;    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);}/** * 找到大于等于cap的最小的2的幂. */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;}

上面的构造，并没有如我们预期的初始化 table 数组，接下来看put方法，是否有设置 table数组呢

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c. 添加kv : put(k,v)

实现如下，逻辑比较复杂，会直接在代码中给出一些注释

public V put(K key, V value) {    return putVal(hash(key), key, value, false, true);}/** * Implements Map.put and related methods * * @param hash (key的hash值，通过hash方法计算) * @param key the key * @param value the value to put * @param onlyIfAbsent true表示在不存在kv时，才塞入数据 * @param evict if false, the table is in creation mode. * @return 返回原来的value（如果之前不存在，返回null） */final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,               boolean evict) {    Node
    
     [] tab; Node
     
       p; int n, i;        // 首先是将tab局部变量指向 table数组    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) {        // 当table数组没有初始化时，进行初始化，并返回数组长度        n = (tab = resize()).length;    }             if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) {        // 根据数组长度和key的hash值，计算出key放入数组的位置，若该位置没有值，则直接创建一个新的Entry（即Node），放在该位置即可        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);    } else {        Node
      
        e; K k;        if (p.hash == hash &&            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {        // 若根据key的hash值，从数组中获取的Entry对象，其key正好是我们指定的key，则直接修改这个Entry的value值即可            e = p;        }        // 下面则表示出现hash碰撞，虽然key的hash值相同，但是这个Entry的key并不是我们指定的key        else if (p instanceof TreeNode) {            e = ((TreeNode
       
        )p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);        } else {        // 迭代Entry的next节点，知道找到Entry.Key 正好是我们指定的Key为止            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {                if ((e = p.next) == null) { // 若一直都不存在，则创建一个新的Entry对象，并塞入table                    p.next = newNode(hash, key, value, null);                    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;            }        }        if (e != null) { // existing mapping for key            V oldValue = e.value;            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)                e.value = value;            afterNodeAccess(e);            return oldValue;        }    }    ++modCount;    if (++size > threshold)        resize();    afterNodeInsertion(evict);    return null;}
       
      
     
    

逻辑拆解：

• 判断 table数组是否初始化，否则进行初始化
• 计算key的hash值（通过hash()方法获取）
• 以key的hash值计算索引，到table数组中查询Node节点
  • 若不存在，则新建一个Node节点，塞入该位置
  • 若存在，则继续判断该节点的key是否和传入的key相同or相等(equals()方法)
    • 是，则直接修改这个Node节点的value值即可
    • 否，表示出现hash碰撞了，需要遍历Node节点内部的next节点，直到到next节点为null（新建一个Node节点）或next节点就是我们希望的节点（更新该节点value值）为止

到这里就可以解决在介绍Node类结构的两个问题

1. Node中的hash字段干嘛的？

• hash字段保存的是Key通过hash()方法计算的值
• 可以用于判断一个Node是否为我们查找的节点

2. Node中为什么有next节点

• next节点存的是相同 hash值的kv键值对，由此可以看出HashMap的存储结构
• 当出现hash碰撞时，即对于计算key的hash值相同的Node节点，以链表结构存在

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d. table数组初始化

push(k,v) 包含较多的内容，上面只给出了设计逻辑，具体实现有必要扣一扣，研究下其中一些有意思的点

从上面的的代码可以看出，调用 resize() 方法进行的初始化（此外这个方法也负责数组的扩容）

源码实现比较长，这里主要关注初始化过程，以以下面这段逻辑进行实例分析

Map map = new HashMap<>();map.put(xx, xx);

对resize方法中一些逻辑配合上面的使用方式进行简化处理, 抽出代码如下

final Node
    
     [] resize() {    Node
     
      [] oldTab = table; // null    int oldCap = 0;    int oldThr = 0;    int newCap, newThr = 0;    // zero initial threshold signifies using defaults    newCap = 16; // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    newThr = 12; // (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);     threshold = newThr;    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})    Node
      
       [] newTab = (Node
       
        [])new Node[newCap];    table = newTab;    return newTab;}
       
      
     
    

上面是简化resize的内部逻辑，单独剥离出初始化 table 数组的代码块；

说明

• 初始化的数组长度为16
• threshold 阀值为12 ： 0.75 * 数组长度

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e. hash方法

计算key的hash值，这个直接决定hash碰撞的概率

实现如下

static final int hash(Object key) {    int h;    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}

到这里自然就会有一个疑问

如何根据hash值与table数组进行关联，又如何保证碰撞较小？

这个问题单独成篇，再将这个，这里先记下

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小结

1. 存储结构

HashMap 的底层数据结构是一个Node数组，配合Node链表的方式进行kv存储

2. 初始化

数组的初始化延迟在首次向Map中添加元素时进行

默认数组长度为16，阀值为12

阀值定义为： The next size value at which to resize (capacity * load factor).

3. 数组长度要求

数组长度要求为2的n次方

tableSizeFor 方法实现获取正大于数字n的2的整数次幂 （这个实现比较有意思）

4. 获取Entry对象

如何通过key获取对应的Entry对象呢？

• hash()方法计算key的hash值
• hash值定位 table数组中的下标
• 取出数组中的 Node 节点
  • null，表示不存在
  • 非null，判断Node节点的key是否等同输入key
    • 是直接返回
    • 否则遍历 Node的 next节点，直到为null或者找到为止

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参考