在上篇部落格中分析了hashmap的用法，詳情檢視java併發之hashmap
本篇部落格重點分析下hashmap的原始碼（基於JDK1.8）
一、成員變數
HashMap有以下主要的成員變數
/** * The default initial capacity - MUST be a power of two. 預設初始容量 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 /** * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified * by either of the constructors with arguments. * MUST be a power of two <= 1<<30. 最大容量 */ static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /** * The load factor used when none specified in constructor. 預設的載入因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * The bin count threshold for using a tree rather than list for a * bin. Bins are converted to trees when adding an element to a * bin with at least this many nodes. The value must be greater * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in * tree removal about conversion back to plain bins upon * shrinkage. JDK1.8在雜湊衝突後，使用連結串列的方式儲存資料，當連結串列中元素個數超過8個，則轉化為紅黑樹的格式 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal. 當紅黑樹的節點數少於6個，則轉化為連結串列 */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; /** * The table, initialized on first use, and resized as * necessary. When allocated, length is always a power of two. * (We also tolerate length zero in some operations to allow * bootstrapping mechanics that are currently not needed.) 儲存元素的陣列 */ transient Node<K,V>[] table; /** * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used * for keySet() and values(). */ transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; /** * The number of key-value mappings contained in this map. key-value的個數 */ transient int size;
上面對HashMap中的主要成員變數做了註釋，重點關注以下幾個，
transient Node<K,V>[] table 這個成員變數是HashMap儲存鍵值對的載體，Node型別的陣列，可以聯想到把鍵值對封裝成了Node物件，然後使用陣列儲存一個一個的Node，體現了Java三大特性中的封裝。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; HashMap的預設容量，即table資料組的預設長度，在構建table陣列時使用。
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 HashMap的最大容量，即table資料的最大長度。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f 預設的載入因子，這個變數很重要，關係到HashMap擴容以及陣列的飽和程度等
final float loadFactor 載入因子
int threshold 代表HashMap的閾值，=table陣列的長度*loadFactor，當HashMap中鍵值對的數量大於threshold的時候便需要擴容，即把資料的長度擴大一倍
二、建構函式
HashMap提供了以下4個建構函式，
1、HashMap()
這個是預設的建構函式，其實現如下
public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }
從其實現來看，僅指定了預設的負載因子，其他的均為預設值，預設的負載因子為0.75，這個值是經過經驗得出的，是空間和時間上的一個均衡。
2、HashMap(int initialCapacity)
這個可以指定HashMap的初始容量，但此容量並非要建立的Node型別的table的長度，HashMap使用了tableSizeFor(int cap)方法對其處理，此方法下面會說到。構造方法的實現如下，
public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); }
實現即呼叫了另一個構造方法
3、HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
這個構造方法可以指定兩個引數，一個是初始容量，另一個是負載因子，前面說到容量*負載因子=閥值（threshold）,當鍵值對的數量（size）大於閥值時便要擴容。構造方法實現如下，
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); }
對給定的初始容量做了判斷，最後通過tableSizeFor函式計算出的值給了threshold。
4、HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)
使用一個Map型別的變數構造HashMap，其實現如下
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); }
指定了負載因子，看起來負載因子很重要。
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { int s = m.size(); if (s > 0) { if (table == null) { // pre-size float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } else if (s > threshold) resize(); for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { K key = e.getKey(); V value = e.getValue(); putVal(hash(key), key, value, false, evict); } } }
從4個構造方法中，可以看出都並未初始話table變數，即儲存資料的陣列，那麼table變數在什麼時候初始化那，是在put方法中。為什麼要放在put方法中，那是因為如果我就呼叫了構造方法，然後初始化了table陣列，分配了記憶體，然而我不向HashMap中放資料，即不呼叫put方法，那麼肯定會造成記憶體的浪費，所以只有在真正呼叫put的時候才初始化table，考慮周全呀。
二、工具函式
這裡重點分析兩個工具函式，hash和tableSizeFor。
1、hash(Object key)
此函式的作用是傳遞一個key引數，返回一個int數值，
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
如果key為null，則返回0，否則，取key的hashCode值h和h無符號右移16位的異或值。為什麼要這樣做我們放在後邊分析。這個函式決定了每個鍵值對在table陣列中的位置。
2、tableForInt(int cap)
此函式是為了計算大於或等於給定引數的最小的2的N次方。
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; }
舉個例子，現在給一個數19，呼叫此函式後返回32；給一個數16，呼叫此函式後返回16，給一個數15，呼叫此函式後返回16。
三、put/get操作
put和get操作是HashMap中常用的操作，使用頻率很高，瞭解其實現對編寫程式碼很有提升。
1、put(K key, V value)
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); }
從上面的程式碼中可以看出呼叫了putVal方法，使用hash函式對key進行了雜湊。putVal的定義如下，
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //如果HashMap底層的陣列table為空，或者其長度位0 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length;//呼叫擴容方法進行擴容，並返回擴容後的長度 //如果要儲存的key在table中的索引處元素p為null，則說明此key所在索引處未產生hash衝突 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //生成一個Node節點，放在此key的索引處 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else {//如果此key所在的索引處的元素p不為null，說明已經有其他的key的hash值和現在key的hash相同，產生了hash衝突，兩個元素在table中的索引一致 Node<K,V> e; K k; //如果要插入的key value和p的全部相同，把p賦給e if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //如果不相等，判斷p的節點型別，如果是TreeNode型別，則證明是紅黑樹的結構，呼叫putTreeVal進行元素插入 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else {//如果不是TreeNode型別，則說明是連結串列的結構，使用連結串列的方式插入，找到連結串列的尾部，進行插入 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { //在p後插入元素 p.next = newNode(hash, key, value, null); //判斷連結串列的元素數量，如果大於8，則呼叫treeifyBin方法轉化為紅黑樹 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; } } //e不為null，說明存在一個相同的key，則需要進行value的替換，並返回舊值 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //如果插入元素後，元素個數大於threshold（閥值=陣列容量*負載因子），進行擴容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
在上面的程式碼中做了詳細的註釋，下面把過程概括如下
1、判斷HashMap底層儲存資料的陣列table是否為null或者長度為0（這裡在進行table的初始化），如果是則進行擴容（第一次叫初始化）；
2、如果不是，取出要插入key在陣列中索引位置的元素p，判斷p是否為null，如果為null，則直接插入；
3、如果p不為null，判斷判斷p和待插入資料是否相等，如果相等使用e儲存p（後面會判斷e是否null，如果不為null，則進行值的替換）；
4、如果不等，判斷p的型別是否為TreeNode，即是否為紅黑樹的結構，如果是則使用紅黑樹的方式插入；
5、如果不是TreeNode，則使用連結串列的方式插入；
6、插入完成後更新元素的個數size，如果size大於threshold進行擴容；
上面是put的大體過程，對於紅黑樹的插入，暫不做分析，下面分析下擴容函式resize，其原始碼如下
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold } 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) { float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } threshold = newThr; //1、建立一個新的Node陣列，儲存資料 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; //2、如果舊陣列不為空，則要把元素拷貝到新陣列 if (oldTab != null) { //迴圈舊陣列中的元素 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; //j索引處不為null，取出給e if ((e = oldTab[j]) != null) { //清空j處的元素 oldTab[j] = null; //2.1、判斷e是否有後繼，如果沒有說明僅有一個Node元素，重新計算e中key的hash值，得到在新陣列中的索引，進行插入 if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //2.2.1判斷e是否為TreeNode型別，如果是使用紅黑樹的方式 else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); //2.2.2不是紅黑樹的資料結構，為連結串列結構，進行連結串列結構的資料拷貝 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; }
在上面原始碼中進行了詳細註釋，具體步驟可檢視註釋。
2、get(Object key)
get函式是使用key取出其對於的value的過程，其原始碼如下
public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; }
使用getNode函式取出Node元素，如果Node為null，則返回null，如果不為則返回其value屬性值，關於Node類的構成稍後分析，先看getNode函式，
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; //1、判斷table不為null且長度大於0，且要取的key處索引位置元素不為null if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { //2、如果第一個元素和給定的key相等則直接返回第一個元素first if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { //3.1、如果第一個元素的型別為TreeNode，使用紅黑樹的方式取得Node if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); //3.2、使用連結串列的方式取得Node do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
在上面的程式碼中進行了詳細註釋，可參考。
下面看下Node的結構，
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; V value; Node<K,V> next; Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next; }
Node作為HashMap的靜態內部類，其屬性有hash、key、value、next，使用這些屬性儲存資料，其中key value即為我們說的hashMap中的鍵值對，這裡使用Node進行封裝。next指向下個Node的地址。
以上對HashMap做了主要分析，後面計劃對其雜湊hash函式即紅黑樹做分析。
有不正之處，歡迎指正！