面试突击15：说一下HashMap底层实现？及元素添加流程？

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HashMap 是使用频率最高的数据类型之一，同时也是面试必问的问题之一，尤其是它的底层实现原理，既是常见的面试题又是理解 HashMap 的基石，所以重要程度不言而喻。

HashMap 底层实现

HashMap 在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 的底层实现是不一样的，在 JDK 1.7 中，HashMap 使用的是数组 + 链表实现的，而 JDK 1.8 中使用的是数组 + 链表或红黑树实现的。
HashMap 在 JDK 1.7 中的实现如下图所示：

HashMap 在 JDK 1.8 中的实现如下图所示：

我们本文重点来学习主流版本 JDK 1.8 中的 HashMap。HashMap 中每个元素称之为一个哈希桶（bucket），哈希桶包含的内容有 4 个：

hash 值
key
value
next（下一个节点）

HashMap 插入流程

HashMap 元素新增的实现源码如下（下文源码都是基于主流版本 JDK 1.8）：

public V put(K key, V value) {
    // 对 key 进行哈希操作
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // 哈希表为空则创建表
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 根据 key 的哈希值计算出要插入的数组索引 i
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 如果 table[i] 等于 null，则直接插入
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 如果 key 已经存在了，直接覆盖 value
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 如果 key 不存在，判断是否为红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 红黑树直接插入键值对
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 为链表结构，循环准备插入
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 下一个元素为空时
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 转换为红黑树进行处理
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //  key 已经存在直接覆盖 value
                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;
    // 超过最大容量，扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

上述的源码都添加了相应的代码注释，简单来说 HashMap 的元素添加流程是，先将 key 值进行 hash 得到哈希值，根据哈希值得到元素位置，判断元素位置是否为空，如果为空直接插入，不为空判断是否为红黑树，如果是红黑树则直接插入，否则判断链表是否大于 8，且数组长度大于 64，如果满足这两个条件则把链表转成红黑树，然后插入元素，如果不满足这两个条件中的任意一个，则遍历链表进行插入，它的执行流程如下图所示：

为什么要将链表转红黑树？

JDK 1.8 中引入了新的数据结构红黑树来实现 HashMap，主要是出于性能的考量。因为链表超过一定长度之后查询效率就会很低，它的时间复杂度是 O(n)，而红黑树的时间复杂度是 O(logn)，因此引入红黑树可以加快 HashMap 在数据量比较大的情况下的查询效率。

哈希算法实现

HashMap 的哈希算法实现源码如下：

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

其中，key.hashCode() 是 Java 中自带的 hashCode() 方法，返回一个 int 类型的散列值，后面 hashCode 再右移 16 位，正好是 32bit 的一半，与自己本身做异或操作（相同为 0，不同为 1），主要是为了混合哈希值的高位和低位，增加低位的随机性，这样就实现了 HashMap 的哈希算法。

总结

HashMap 在 JDK 1.7 时，使用的是数组 + 链表实现的，而在 JDK 1.8 时，使用的是数组 + 链表或红黑树的方式来实现的，JDK 1.8 之所以引入红黑树主要是出于性能方面的考虑。HashMap 在插入时，会判断当前链表的长度是否大于 8 且数组的长度大于 64，如果满足这两个条件就会把链表转成红黑树再进行插入，否则就是遍历链表插入。