（恐怕是）写得最通俗易懂的一篇关于HashMap的文章

沉默王二
2,060 阅读9分钟

先看再点赞，给自己一点思考的时间，微信搜索【沉默王二】关注这个有颜值却假装靠才华苟且的程序员。 本文 GitHub github.com/itwanger 已收录，里面还有一线大厂整理的面试题，以及我的系列文章。

List 系列差不多写完了， 单线程环境下最重要的就是 ArrayList 和 LinkedList，多线程环境下最重要的就是 CopyOnWriteArrayList，新来的同学可以点击链接回顾一下 List 的知识点。接下来，我要带着 HashMap 去爬山了，注意不是六峰山，纯粹就是为了锻炼了一下身体，不不不，纯粹是为了和 HashMap 拉近关系，同学们注意不要掉队。

说一句很废的话，HashMap 是一个 Map，用来存储 key-value 的键值对，每个键都可以精确地映射到一个值，然后我们可以通过这个键快速地找到对应的值。

对于一个 List 来说，如果要找到一个值，时间复杂度为 O(n)O(n)，如果 List 排序过的话，时间复杂度可以降低到 O(logn)O(log n)（二分查找法），但如果是 Map 的话，大多数情况下，时间复杂度能够降低到 O(1)O(1)。

来看一下 HashMap 的特点：

  • HashMap 的键必须是唯一的，不能重复。

  • HashMap 的键允许为 null，但只能有一个这样的键；值可以有多个 null。

  • HashMap 是无序的，它不保证元素的任何特定顺序。

  • HashMap 不是线程安全的；多线程环境下，建议使用 ConcurrentHashMap，或者使用 Collections.synchronizedMap(hashMap) 将 HashMap 转成线程同步的。

  • 只能使用关联的键来获取值。

  • HashMap 只能存储对象，所以基本数据类型应该使用其包装器类型，比如说 int 应该为 Integer。

  • HashMap 实现了 Cloneable 和 Serializable 接口，因此可以拷贝和序列化。

01、HashMap 的重要字段

HashMap 有 5 个非常重要的字段，我们来了解一下。（JDK 版本为 14）

transient Node<K,V>[] table;
transient int size;
transient int modCount;
int threshold;
final float loadFactor;

1）table 是一个 Node 类型的数组，默认长度为 16，在第一次执行 resize() 方法的时候初始化。

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
final HashMap.Node<K,V>[] resize() {
    newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
}

Node 是 HashMap 的一个内部类，实现了 Map.Entry 接口，本质上是一个键值对。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    HashMap.Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, HashMap.Node<K,V> next) {
        ...
    }

    public final K getKey()        { return key; }
    public final V getValue()      { return value; }
    public final String toString() { return key + "=" + value; }

    public final int hashCode() {
        ...
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        ...
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        ...
    }
}

2）size 就是 HashMap 中实际存储的键值对数量，它和 table 的 length 是有区别的。

为了说明这一点，我们来看下面这段代码：

HashMap<String,Integer> map = new HashMap<>();
map.put("1", 1);

声明一个 HashMap，然后 put 一个键值对。在 put() 方法处打一个断点后进入，等到该方法临近结束的时候加一个 watch（table.length），然后就可以观察到如下结果。

也就是说，数组的大小为 16，但 HashMap 的大小为 1。

3）modCount 主要用来记录 HashMap 实际操作的次数，以便迭代器在执行 remove() 等操作的时候快速抛出 ConcurrentModificationException，因为 HashMap 和 ArrayList 一样，也是 fail-fast 的。

关于 ConcurrentModificationException 的更多信息，请点击下面的链接查看 03 小节的内容。

4）threshold 用来判断 HashMap 所能容纳的最大键值对数量，它的值等于数组大小 * 负载因子。默认情况下为 12（16 * 0.75），也就是第一次执行 resize() 方法的时候。

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

final HashMap.Node<K,V>[] resize() {
    newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}

5）loadFactor 为负载因子，默认的 0.75 是对空间和时间效率上的一个平衡选择，一般不建议修改，像我这种工作了十多年的老菜鸟，就从来没有修改过这个值。

02、HashMap 的 hash 算法

Hash，一般译作“散列”，也有直接音译为“哈希”的，这玩意什么意思呢？就是把任意长度的数据通过一种算法映射到固定长度的域上（散列值）。

再直观一点，就是对一串数据 wang 进行杂糅，输出另外一段固定长度的数据 er——作为数据 wang 的特征。我们通常用一串指纹来映射某一个人，别小瞧手指头那么大点的指纹，在你所处的范围内很难找出第二个和你相同的（人的散列算法也好厉害，有没有？）。

对于任意两个不同的数据块，其散列值相同的可能性极小，也就是说，对于一个给定的数据块，找到和它散列值相同的数据块极为困难。再者，对于一个数据块，哪怕只改动它的一个比特位，其散列值的改动也会非常的大——这正是 Hash 存在的价值！

同学们已经知道了，HashMap 的底层数据结构是一个数组，那不管是增加、删除，还是查找键值对，定位到数组的下标非常关键。

那 HashMap 是通过什么样的方法来定位下标呢？

第一步，hash() 方法：

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

第二步，putVal() 方法中的一行代码：

n = (tab = resize()).length;
i = (n - 1) & hash;

为了更容易理解，我把这两步的方法合并到了一起：

String [] keys = {"沉","默","王","二"};
for (String k : keys) {
    int hasCode = k.hashCode();
    int right = hasCode >>> 16;
    int hash = hasCode ^ right;
    int i = (16 - 1) & hash;
    System.out.println(hash + " 下标：" + i);
}

1）k.hashCode() 用来计算键的 hashCode 值。对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值是相同，那么 hash() 方法计算得到的 Hash 码就总是相同的。

要能够做到这一点，就要求作为键的对象必须是不可变的，并且 hashCode() 方法要足够的巧妙，能够最大可能返回不重复的 hashCode 值，比如说 String 类。

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

2）>>> 为无符号右移运算符，高位补 0，移多少位补多少个 0。

3）^ 为异或运算符，其运算规则为 1^0 = 1、1^1 = 0、0^1 = 1、0^0 = 0。

4）& 为按位与运算符，运算规则是将两边的数转换为二进制位，然后运算最终值，运算规则即（两个为真才为真）1&1=1、1&0=0、0&1=0、0&0=0。

关于 >>>、^、& 运算符，涉及到二进制，本篇文章不再深入研究，感兴趣的同学可以自行研究一下。

假如四个字符串分别是"沉","默","王","二"，它们通过 hash() 方法计算后值和下标如下所示：

27785 下标：9
40664 下标：8
29579 下标：11
20108 下标：12

应该说，这样的 hash 算法非常巧妙，尤其是第二步。

HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方，当 length 总是 2 的 n 次方时，(length - 1) & hash 运算等价于对数组的长度取模，也就是 hash%length，但是 & 比 % 具有更高的效率。

03、HashMap 的 put() 方法

HashMap 的 hash 算法我们是明白了，但似乎有一丝疑虑，就是万一计算后的 hash 值冲突了怎么办？

比如说，“沉X”计算后的 hash 值为 27785，其下标为 9，放在了数组下标为 9 的位置上；过了一会，又来个“沉Y”计算后的 hash 值也为 27785，下标也为 9，也需要放在下标为 9 的位置上，该怎么办？

为了模拟这种情况，我们来新建一个自定义的键类。

public class Key {
    private final String value;

    public Key(String value) {
        this.value = value;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass())
            return false;
        Key key = (Key) o;
        return value.equals(key.value);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        if (value.startsWith("沉")) {
            return "沉".hashCode();
        }
        return value.hashCode();
    }
}

在 hashCode() 方法中，加了一个判断，如果键是以“沉”开头的话，就返回“沉”的 hashCode 值，这就意味着“沉X”和“沉Y”将会出现在数组的同一个下标上。

HashMap<Key,String> map = new HashMap<>();
map.put(new Key("沉X"),"沉默王二X");
map.put(new Key("沉Y"),"沉默王二Y");

那紧接着来看一下 put() 方法的源码：

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

put() 方法会先调用 hash() 方法计算 key 的 hash 值，然后再调用内部方法 putVal()：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
    // ①、数组 table 为 null 时，调用 resize 方法创建默认大小的数组
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // ②、计算下标，如果该位置上没有值，则填充
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        HashMap.Node<K,V> e; K k;
        // ③、如果键已经存在了，并且 hash 值相同，直接覆盖
        if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // ④、红黑树处理
        else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
            e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // ⑤、增加链表来处理哈希冲突
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 如果链表长度大于 8 转换为红黑树处理
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                // 如果键已经存在了，并且 hash 值相同，直接覆盖
                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;
    // ⑥、超过容量限制，扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

代码里我加了一些注释，同学们一定要花点时间看一下。

如果哈希冲突的话，会执行 ② 处对应的 else 语句，先判断键是否相等，相等的话直接覆盖；否则执行 ④，做红黑树处理；如果不是，会执行 ⑤，把上一个节点的 next 赋值为新的 Node。

也就是说，如果哈希冲突了，会在数组的同一个位置上增加链表，如果链表的长度大于 8，将会转化成红黑树进行处理。

以上就是大牛们嘴里常说的“链地址法”，简单点说，就是数组加链表，由于链表的查询效率比较低（时间复杂度为 O(n)O(n)），Java 8 又追加了红黑树（时间复杂度为 O(logn)O(log n)）。

留个小作业哈，同学们可以研究一下，当键为 null 的时候，键值对存放在什么位置上？

04、HashMap 的 get() 方法

理解了 HashMap 的 hash 算法和 put() 方法，get() 方法就很容易理解。

public V get(Object key) {
    HashMap.Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

首先计算 key 的 hash 值，当 hash 值确定后，键值对在数组中的下标位置也就确定了，然后再调用 getNode() 方法：

final HashMap.Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        if ((e = first.next) != null) {
            if (first instanceof HashMap.TreeNode)
                return ((HashMap.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;
}

其中 first = tab[(n - 1) & hash] 就可以快速的确定键对应的值，如果键相等并且键的 hash 相等，则直接返回；如果键的哈希冲突了，就先判断是不是红黑树，不是的话就遍历链表。

05、最后

说句实在话，在写这篇文章之前，我对 HashMap 的认知并没有这么深刻，但写完这篇文章后，我敢拍着胸脯信誓旦旦地说：“HashMap 我真的掌握了，同学们谁以后再问我，就可以把这篇文章甩给他了。”

这次爬山虽然很累，但确实收获很大，值了！

我是沉默王二，一枚有颜值却假装靠才华苟且的程序员。关注即可提升学习效率，别忘了三连啊，点赞、收藏、留言，我不挑，奥利给🌹。

注：如果文章有任何问题，欢迎毫不留情地指正。

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