HashMap
HashMap是Java Collection Framework重要成员，也是基于哈希表使用最多的Collection，以key-value形式存储数据，但由于其线程不安全性不用于多线程编程，但用途依然广泛，在JDK1.8上，HashMap的源码又加入了新的内容，可见其重要。这次就是基于JDK1.8的源码来理解HashMap的运行原理。
继承
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
这里可以看到HashMap是继承AbstractMap抽象类并且依赖Map接口的，而其中AbstractMap则是对Map接口进行了部分实现，主要基于迭代器。下面就是在AbstractMap中对get方法的实现。
public V get(Object key) {
Iterator<Entry<K,V>> i = entrySet().iterator();
if (key==null) {
while (i.hasNext()) {
Entry<K,V> e = i.next();
if (e.getKey()==null)
return e.getValue();
}
} else {
while (i.hasNext()) {
Entry<K,V> e = i.next();
if (key.equals(e.getKey()))
return e.getValue();
}
}
return null;
}
构造和初始化
在了解HashMap的构造函数之前首先需要知道HashMap的数据结构，也就是如何去存储。HashMap是基于哈希表的，因此底层肯定有一个作为哈希表的数组。而了解数据结构哈希表的都知道，哈希表在存储过程中存在冲突的问题，即存在多个key的哈希值相同，HashMap的做法是链表或者红黑树的方法，将相同哈希值的元素以链的形式连接在哈希表对应的位置。
这里需要注意的是关于红黑树的部分，在JDK1.7的部分是只有链表结构，但是由于链表过长的时候查找元素时间较长，在JDK1.8的时候加入了红黑树，当链表超过一定长度之后，链表就会转换成红黑树，便于查找和插入。
HashMap的构造函数有三种
- HashMap() 默认初始容量(16)和默认加载因子(0.75)的空HashMap
- HashMap(int initialCapacity) 指定初始容量和默认负载因子(0.75)的空HashMap
- HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 指定初始容量和负载因子的空 HashMap
这里需要了解两个参数，initialCapacity(初始容量)，指最开始创建哈希表数组的大小。loadFactor(负载因子)，指哈希表扩容的阈值，一般是当前表中存有元素与哈希表容量相除的商。
put和get
从JDK1.8开始，HashMap的元素是以Node形式存在，主要结构如下
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
//类方法，这里省略
.........
}
包括元素的hash值，key，value以及指向下一个元素的引用。
put
put方法是HashMap的重点，包含了阈值校验，链表到红黑树的调整以及初始开辟哈希表，都是在put方法中完成的。这里是我注释的源码
public V put(K key, V value) {
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;
//哈希表未创建或者长度为0时创建哈希表
//resize()是重建哈希表的方法
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果存入元素位置为空，创建一个node类，插入
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
//存入元素位置有元素
else {
Node<K,V> e; K k;
//存在相同的key，替换原先的值
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//存储的链表已经变为红黑树，调用putTreeVal()方法去存入
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//还是链表状态，那么遍历链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//没有相同key元素，就最后加上该元素
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//链表过长的时候，转变成红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//找到相同key元素，替换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) //true || --
e.value = value;
//3.
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//判断阈值，决定是否扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
这里有简单的流程图表示这个过程
对于resize()的描述就不深入了，这里简单讲一下HashMap的扩容原则
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
这里可以看到，每次哈希表的扩容是在上一次的容量基础上乘以2。
get
get方法相对于put就简单很多，就是根据哈希值找到相应的元素链，然后遍历查找元素即可，源码如下
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//判断首元素是否为所找的
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//非首元素，需要遍历元素链
if ((e = first.next) != null) {
//判断是否为红黑树
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
HashMap死循环
在JDK1.7多线程情况下HashMap存在死循环的情况，主要是由于扩容的过程是非线程安全的，并且在元素存入新表的过程中会出现元素倒置，由于插入过程，新插入元素总是插入到头部，源码如下
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;
//这里在做插入的过程中，总是将新插入元素放在链表头
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);
}
}
}
具体的过程用图来表示，假设有两个线程，同时到了扩容的阶段，线程一在while循环开始就挂起了，线程二执行结束
之后线程一开始执行，从e节点开始，但是注意由于线程二扩容的影响，此时next节点的下一个节点是e
之后再往下遍历的时候，发现又回到了key=3，出现了环
这个问题在JDK1.8中解决了，它用了新的插入方式
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//还是原索引位置
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//原索引+ oldCap位置
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;
}
由于扩容是在原容量基础上乘以2，那么hash码校验的时候会比原来的多一位，那么只需要比较这个位置是0还是1即可，是1那么就在原索引位置向后位移原容量大小即可，是0就不动。
