HashMap 的扩容机制

HashMap 的扩容机制是 Java 集合框架中的一个关键特性，它确保了 HashMap 能够在保持高效性能的同时处理动态变化的数据集。以下是 HashMap 扩容机制的详细解释：

1. 扩容触发条件：

   • 当 HashMap 中的元素数量超过阈值（threshold）时，HashMap 会进行扩容。阈值是当前容量（capacity）与负载因子（load factor）的乘积。

2. 扩容操作：

   • 扩容操作涉及到创建一个新的内部数组（bucket array），其容量通常是当前数组的两倍。这个新的数组会替代原有的数组，成为 HashMap 的底层数据结构。

3. 计算新容量：

   • 新容量（newCap）通常是旧容量（oldCap）的两倍，但不会超过最大容量（MAXIMUM_CAPACITY）。如果旧容量已经达到最大容量，扩容操作将不再进行，阈值将被设置为 Integer.MAX_VALUE。

4. 计算新阈值：

   • 新阈值（newThr）是基于新容量和负载因子计算得出的。如果新容量小于最大容量并且新容量大于默认初始容量，新阈值将是旧阈值的两倍。

5. 迁移元素：

   • 在扩容过程中，所有现有的键值对需要重新映射到新的数组上。这个过程涉及到重新计算每个键的哈希值，并将其放置在新数组的正确位置上。对于链表结构的哈希冲突，可能需要将链表拆分为两部分，分别放置在新数组的两个位置上。

6. 链表拆分：

   • 当链表长度超过一定阈值（TREEIFY_THRESHOLD，默认为8）时，链表会被转换为红黑树。在扩容过程中，如果链表仍然存在，它们可能会被拆分为两个新的链表，并分别放置在新数组的两个位置上。

7. 性能影响：

   • 扩容是一个昂贵的操作，因为它涉及到大量的内存分配和元素重新映射。在多线程环境中，扩容可能会导致性能瓶颈，因为所有线程都必须等待扩容完成。

8. 避免频繁扩容：

   • 为了避免频繁的扩容操作，可以通过预估 HashMap 的最大大小并设置初始容量来减少扩容的次数。合理设置负载因子也可以在空间和时间效率之间取得平衡。

9. 扩容与并发：

   • 在 JDK 1.8 及以后的版本中，HashMap 是非同步的，但在多线程环境中，扩容操作可能会导致竞争条件。因此，如果需要线程安全的 HashMap，可以使用 ConcurrentHashMap。

10. 扩容与红黑树：

    • JDK 1.8 引入了红黑树来优化长链表的性能问题。当链表长度超过阈值时，链表会被转换为红黑树。在扩容过程中，红黑树节点会被拆分并重新分配到新数组的两个位置上。

HashMap 的扩容机制是其设计中的一个重要方面，它确保了 HashMap 能够在元素数量增加时保持高效的性能。然而，开发者应该意识到扩容对性能的影响，并在可能的情况下采取措施来减少扩容的次数。