Java8的HashMap原理

一、组成结构

　　1、数组Node<K,V>[] table

　　2、链表Node<K,V> next

　　3、红黑树TreeNode

二、put方法

　　整体流程图如下：

在执行put操作时，首先根据hash方法获取key.hashcode，之后根据hashcode通过取模运算（table[table.length-1 & hash]）获取索引，当发现当前索引没有值时，直接将put进来的k-v存储在当前位置；那么如果当前索引位置有值（也就是说将要push数据的k.hasdcode与数组中的某一个k.hashcode相同）此时需要通过equal比较key是否也相同，如果key相同，则说明是同一个key，那么需要将原来的oldvalue替换为新的value;
还有一种情况，就是当k.hashcode相同，但是key不相同时，这种情况就叫做hash碰撞，在这种情况下解决方案是在当前hashcode所指向的node链表下继续添加k-v，如果链表的长度超过8时，自动将当前链表转换为红黑树来存储，为什么要转为红黑树呢？因为红黑树的速度比链表更快，熟悉算法的朋友应该知道链表的时间复杂度为O(n)，红黑树的时间复杂度为O(logn)。

最后判断是否需要扩容
以上也说明了在使用map时，key为什么要必须覆写equals方法以及hashcode方法。

 1、对key进行hash取值，目的是为了获取更好的散列性，具体可以参考https://blog.csdn.net/qq_32999113/article/details/102527859

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

2、putVal

 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为null或者长度为0，则表示没有元素，调用resize()方法进行扩容，并进行长度赋值
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
//对hash后的key进行取模操作，并判断数组上的key是否有值，如果没有值则构建一个node放上去
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
//如果存在值
        else {
            Node<K,V> e; K k;
//如果位置上的key与新key相同，则直接进行值覆盖
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
//如果值不相等，判断数组上的节点是否为红黑数结构    
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
//不是数节点，则为链表结构
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//循环判断链表上的key是否为null，为空则创建新的node，并放入
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
//判断链表的数量是否大于8个，大于则需要进行结构树化
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
//如果链表上的key不为null则判断与新的key是否相等，相等则直接赋值
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
//赋值
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
//空实现
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
//判断容量是否大于阈值，大于则进行扩容操作
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }    

3、先看看树化操作，treeifyBin(tab, hash);

    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
//判断数组的长度是否小于64，小于的话，不会树化，是先进行数组的扩容
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
//将链表上的节点node转变为TreeNode，并且生成的是一个双向的链表
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
//将链表树化
                hd.treeify(tab);
        }
    }

final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
            TreeNode<K,V> root = null;
            for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
                next = (TreeNode<K,V>)x.next;
                x.left = x.right = null;
//x就是当前链表遍历的节点，如果根节点为null，则把链表的第一个节点设为根节点
                if (root == null) {
                    x.parent = null;
                    x.red = false;
                    root = x;
                }
                else {
                    K k = x.key;
                    int h = x.hash;
                    Class<?> kc = null;
//先将根节点赋值给P进行循环
                    for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
                        int dir, ph;
                        K pk = p.key;
//新节点的hash值h与p节点的hash值做比对，小于往左放，大于往右放
                        if ((ph = p.hash) > h)
                            dir = -1;
                        else if (ph < h)
                            dir = 1;
//如果值是相等的，接下来这一段是根据更多的方法去判断当前节点是往左还是往右
                        else if ((kc == null &&
                                  (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                                 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                            dir = tieBreakOrder(k, pk);

                        TreeNode<K,V> xp = p;
//根据dir的正负判断p节点的右还是左，假如是左，则把左节点赋值给P，再判断左节点是否为null，不为null则接着循环，不为null则将节点插入树中，退出循环
                        if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
//设置当前节点的父节点为p，以及左或是右节点的设置
                            x.parent = xp;
                            if (dir <= 0)
                                xp.left = x;
                            else
                                xp.right = x;
//根据红黑树的特征，要进行节点的调整
                            root = balanceInsertion(root, x);
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
//把数组相应位置的链表移除，将根节点放到数组中
            moveRootToFront(tab, root);
        }

treeify（）的方法需要注意下，两个循环
第一个循环是对传进来的链表的循环，目的是取出节点
第二个循环是对已经构建好的红黑树的循环，目的是将取出的节点放入红黑数中

//根据新加入的节点，调整树结构
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceInsertion(TreeNode<K,V> root,
                                            TreeNode<K,V> x) {
  // 新节点默认为红色
    x.red = true;
    // xp表示x的父结点，xpp表示x的祖父结点，xppl表示xpp的左孩子结点，xppr表示xpp的右孩子结点
    for (TreeNode<K,V> xp, xpp, xppl, xppr;;) {
        // 如果x没有父结点，则表示x是第一个结点，自动为根节点，根节点为黑色
        if ((xp = x.parent) == null) {
            x.red = false;
            return x;
        }
        // 如果父结点不是红色（就是黑色），或者x没有祖父节点，那么就证明x是第二层节点，父节点为根节点
        // 这种情况无需就行操作
        else if (!xp.red || (xpp = xp.parent) == null)
            return root;
        
        // 进入到这里，表示x的父节点为红色
        
        // 如果x的父节点是祖父结点的左孩子
        if (xp == (xppl = xpp.left)) {
            // 祖父结点的右孩子，也就是x的叔叔节点不为空，且为红色
            if ((xppr = xpp.right) != null && xppr.red) {
                // 父节点和叔叔节点都为红色，只需要变色，且将x替换为祖父节点然后进行递归
                xppr.red = false;
                xp.red = false;
                xpp.red = true;
                x = xpp;
            }
            // 如果叔叔节点为空，或者为黑色
            else {
                // 如果x节点为xp的右孩子
                if (x == xp.right) {
                    // 先进行左旋，并且把x替换为xp进行递归，在左旋的过程中产生了新的root节点
                    root = rotateLeft(root, x = xp);
                    // x替换后，修改xp和xpp
                    xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
                }
                // 如果x本来是左孩子，或者已经经过了上面的左旋之后，进行变色加右旋
                if (xp != null) {
                    xp.red = false;
                    if (xpp != null) {
                        xpp.red = true;
                        root = rotateRight(root, xpp);
                    }
                }
            }
        }
        // 如果x的父节点是祖父结点的右孩子
        else {
            if (xppl != null && xppl.red) {
                xppl.red = false;
                xp.red = false;
                xpp.red = true;
                x = xpp;
            }
            else {
                if (x == xp.left) {
                    root = rotateRight(root, x = xp);
                    xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
                }
                if (xp != null) {
                    xp.red = false;
                    if (xpp != null) {
                        xpp.red = true;
                        root = rotateLeft(root, xpp);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

左旋操作

static <K,V> TreeNode<K,V> rotateLeft(TreeNode<K,V> root,
                                      TreeNode<K,V> p) {
    // pp是祖父结点
    // p是待旋转结点
    // r是p的右孩子结点
    // rl是r的左孩子结点
    TreeNode<K,V> r, pp, rl;
    if (p != null && (r = p.right) != null) {
        // 如果rl不为空，则设置p.right=rl
        if ((rl = p.right = r.left) != null)
            rl.parent = p;
        // 如果祖父结点为null，那么r设置为黑色，r左旋之后即为root节点
        if ((pp = r.parent = p.parent) == null)
            (root = r).red = false;
        // 如果待旋转结点是左孩子节点
        else if (pp.left == p)
            pp.left = r;
        // 如果待旋转结点为右孩子
        else
            pp.right = r;
        r.left = p;
        p.parent = r;
    }
    return root;
}

右旋操作

static <K,V> TreeNode<K,V> rotateRight(TreeNode<K,V> root,
                                       TreeNode<K,V> p) {
    TreeNode<K,V> l, pp, lr;
    if (p != null && (l = p.left) != null) {
        if ((lr = p.left = l.right) != null)
            lr.parent = p;
        if ((pp = l.parent = p.parent) == null)
            (root = l).red = false;
        else if (pp.right == p)
            pp.right = l;
        else
            pp.left = l;
        l.right = p;
        p.parent = l;
    }
    return root;
}

虽然有些复杂，但是如果你看过上一篇的红黑树介绍，慢慢研究应该看得懂的。

4、如果树化看懂了，往树上新增节点也就很简单了，e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

        final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
                                       int h, K k, V v) {
            Class<?> kc = null;
            boolean searched = false;
            TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this;
//循环找出新节点的位置
            for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
                int dir, ph; K pk;
                if ((ph = p.hash) > h)
                    dir = -1;
                else if (ph < h)
                    dir = 1;
                else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
                    return p;
                else if ((kc == null &&
                          (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                         (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
                    if (!searched) {
                        TreeNode<K,V> q, ch;
                        searched = true;
                        if (((ch = p.left) != null &&
                             (q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
                            ((ch = p.right) != null &&
                             (q = ch.find(h, k, kc)) != null))
                            return q;
                    }
                    dir = tieBreakOrder(k, pk);
                }

                TreeNode<K,V> xp = p;
//如果需要放到节点左边，并且左边的节点为null时，说明此位置就是新节点的位置
                if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                    Node<K,V> xpn = xp.next;
                    TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);
                    if (dir <= 0)
                        xp.left = x;
                    else
                        xp.right = x;
                    xp.next = x;
                    x.parent = x.prev = xp;
                    if (xpn != null)
                        ((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x;
//节点放入后，也是要进行树的调整，以及把新的根节点（可能会产生新的根节点，也可能不会），放到数组中去
                    moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));
                    return null;
                }
            }
        }

5、最后，resize()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;
//如果旧表长度不为0
        if (oldCap > 0) {
//如果长度大于最大长度了，则不会在扩容了
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
//翻倍扩容
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
//原数组长度不大于0，需要初始化数组，看是否有给默认值，没有则使用自己的默认长度16
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
//负载因子
            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;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            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;
    }

在Java7中，重哈希是要重新计算Hash值的，而在Java8中，通过高位运算的巧妙设计，避免了这种计算。下面我们举例说明：

      我们要在初始大小为2的HashMap中存储3、5、7这3个值，Hash函数为取余法。

      Step1：在开始的时候，3、5、7经过Hash过后 3%2=1、5%2=1、7%2=1，因而3、5、7存储在同一个箱子的链表中（地址为1）。

      Step2：现在扩容了，扩容后的大小为2*2=4，现在经过Hash后3%4=3、5%4=1、7%4=3，因而3与7一起放在箱子的链表中（地址为3），5单独存放在一个箱子里（地址为1）。

      整个过程如下图所示：

 我们注意到，在扩容后3和7的位置变化了，由1—>3（=1+2）

      再进行扩容，由4容为8，那么经过Hash后，3%8=3、5%8=5、7%8=7，分别存放于3、5（=1+4）、7（=3+4）这几个位置中。

      我们发现，扩容后的元素要么在原位置，要么在原位置再移动2次幂的位置，整个过程只需要使用一个位运算符<<就可以了（在源码的resize方法中可以找到）

我们用计算机的地址来展示这个过程：

 n为table的长度，图（a）表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例，图（b）表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置的示例，其中hash1是key1对应的哈希与高位运算结果。元素在重新计算hash之后，因为n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色)，因此新的index就会发生这样的变化：

　　因此，我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”，

可以看看下图为16扩充为32的resize示意图：

 这个设计确实非常的巧妙，既省去了重新计算hash值的时间，而且同时，由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的，因此resize的过程，均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了。这一块就是JDK1.8新增的优化点。

扩容元素转移过程如下：

1、扩容时如果原数组上是链表结构，则先根据位运算（可能）变成两个链表，然后一次性移到新数组上；

2、如果原数组上的数据结构为红黑树，则调用方法((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);

先将树拆成两个链表（实际上是分成了两棵树，因为元素的类型还是TreeNode），得到低位和高位链表元素的个数，如果低位的链表不为null并且元素个数少于6个，则会把低位的链表反树化（TreeNode->Node）,

如果低位的元素个数不少于6个并且高位的链表不存在，低位链表的数据则直接移到新的数组上。相反高位链表的判断也是如此

final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) {
            TreeNode<K,V> b = this;
            // Relink into lo and hi lists, preserving order
            TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null;
            TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
            int lc = 0, hc = 0;
            for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) {
                next = (TreeNode<K,V>)e.next;
                e.next = null;
                if ((e.hash & bit) == 0) {
                    if ((e.prev = loTail) == null)
                        loHead = e;
                    else
                        loTail.next = e;
                    loTail = e;
                    ++lc;
                }
                else {
                    if ((e.prev = hiTail) == null)
                        hiHead = e;
                    else
                        hiTail.next = e;
                    hiTail = e;
                    ++hc;
                }
            }
//低位判断
            if (loHead != null) {
                if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
                    tab[index] = loHead.untreeify(map);
                else {
                    tab[index] = loHead;
                    if (hiHead != null) // (else is already treeified)
                        loHead.treeify(tab);
                }
            }
//高位判断
            if (hiHead != null) {
                if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
                    tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
                else {
                    tab[index + bit] = hiHead;
                    if (loHead != null)
                        hiHead.treeify(tab);
                }
            }
        }

注：以上内容借鉴了图灵学院-周瑜老师的课程，感谢阅读