Java HashMap的工作原理（2）

分析HashMap之前先介绍下什么Hashcode(散列码)。

它是一个int，每个对象都会有一个hashcode，它在内存的存放位置是放在对象的头部（对象头部存放的信息有hashcode，指向Class的引用，和一些有关垃圾回收信息）。具体如何生成hashcode，这个相当复杂，这里不深入探讨。有个问题需要讲的是，如果在你的类中覆盖了Object的equals(Object)方法，那么你必须覆盖hashCode方法，不然，当你使用HashMap，HashSet，HashTable时会出现问题。

1、当调用put(key,value)时，首先获取key的hashcode

int hash = key.hashCode();

2、再把hash通过一下运算得到一个hash 

hash ^= (hash >>> 20) ^ (hash >>> 12); 
int h = hash ^ (hash >>> 7) ^ (hash >>> 4);

为什么要经过这样的运算呢？这就是HashMap的高明之处。

先看个例子，一个十进制数32768(二进制1000 0000 0000 0000)，经过上述公式运算之后的结果是35080(二进制1000 1001 0000 1000)。看出来了吗？或许这样还看不出什么，再举个数字61440(二进制1111 0000 0000 0000)，运算结果是65263(二进制1111 1110 1110 1111)，现在应该很明显了，它的目的是让“1”变的均匀一点，散列的本意就是要尽量均匀分布。那这样有什么意义呢？看第3步。 

3、得到h之后，把h与HashMap的承载量（HashMap的默认承载量length是16，可以自动变长。在构造HashMap的时候也可以指定一个长度。这个承载量就是上图所描述的数组的长度。）进行逻辑与运算，即 h&(length-1)，这样得到的结果就是一个比length小的正数，我们把这个值叫做index。

其实这个index就是索引将要插入的值在数组中的位置。第2步那个算法的意义就是希望能够得出均匀的index，这是HashTable的改进，HashTable中的算法只是把key的hashcode与length相除取余，即hash % length，这样有可能会造成index分布不均匀。还有一点需要说明，HashMap的键可以为null，它的值是放在数组的第一个位置。 

4、我们用table[index]表示已经找到的元素需要存储的位置。先判断该位置上有没有元素（这个元素是HashMap内部定义的一个类Entity，基本结构它包含三个类，key，value和指向下一个Entity的next）,没有的话就创建一个Entity<K,V>对象，在table[index]位置上插入，这样插入结束；如果有的话，通过链表的遍历方式去逐个遍历，看看有没有已经存在的key，有的话用新的value替换老的value；如果没有，则在table[index]插入该Entity，把原来在table[index]位置上的Entity赋值给新的Entity的next，这样插入结束。 

再回头看看前面提到的为什么覆盖了equals方法之后一定要覆盖hashCode方法，很简单，比如，String a = new String(“abc”);String b = new String(“abc”);如果不覆盖hashCode的话，那么a和b的hashCode就会不同，把这两个类当做key存到HashMap中的话就会出现问题，就会和key的唯一性相矛盾。

put方法的实现：

/**
  * Associates the specified value with the specified key in this map. If the
  * map previously contained a mapping for the key, the old value is
  * replaced.
  *
  * @param key
  *            key with which the specified value is to be associated
  * @param value
  *            value to be associated with the specified key
  * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or <tt>null</tt>
  *         if there was no mapping for <tt>key</tt>. (A <tt>null</tt> return
  *         can also indicate that the map previously associated
  *         <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
  */
 public V put(K key, V value) {
  if (key == null)
   return putForNullKey(value);
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = indexFor(hash, table.length);
  for (Entry<k , V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
    V oldValue = e.value;
    e.value = value;
    e.recordAccess(this);
    return oldValue;
   }
  }
  modCount++;
  addEntry(hash, key, value, i);
  return null;
 }

现在我们一步一步来看下上面的代码。

对key做null检查。如果key是null，会被存储到table[0]，因为null的hash值总是0。

key的hashcode()方法会被调用，然后计算hash值。hash值用来找到存储Entry对象的数组的索引。有时候hash函数可能写的很不好，所以JDK的设计者添加了另一个叫做hash()的方法，它接收刚才计算的hash值作为参数。

indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。

在我们的例子中已经看到，如果两个key有相同的hash值(也叫冲突)，他们会以链表的形式来存储。所以，这里我们就迭代链表。

如果在刚才计算出来的索引位置没有元素，直接把Entry对象放在那个索引上。

如果索引上有元素，然后会进行迭代，一直到Entry->next是null。当前的Entry对象变成链表的下一个节点。

如果我们再次放入同样的key会怎样呢？逻辑上，它应该替换老的value。事实上，它确实是这么做的。在迭代的过程中，会调用equals()方法来检查key的相等性(key.equals(k))，如果这个方法返回true，它就会用当前Entry的value来替换之前的value。

这里我们再来复习put的流程：当我们想一个HashMap中添加一对key-value时，系统首先会计算key的hash值，然后根据hash值确认在table中存储的位置。若该位置没有元素，则直接插入。否则迭代该处元素链表并依此比较其key的hash值。如果两个hash值相等且key值相等(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))),则用新的Entry的value覆盖原来节点的value。如果两个hash值相等但key值不等 ，则将该节点插入该链表的链头。具体的实现过程见addEntry方法，如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
	//获取bucketIndex处的Entry
	Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
	//将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
	table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
	//若HashMap中元素的个数超过极限了，则容量扩大两倍
	if (size++ >= threshold)
		resize(2 * table.length);
}

这个方法中有两点需要注意：

一是链的产生。这是一个非常优雅的设计。系统总是将新的Entry对象添加到bucketIndex处。如果bucketIndex处已经有了对象，那么新添加的Entry对象将指向原有的Entry对象，形成一条Entry链，但是若bucketIndex处没有Entry对象，也就是e==null,那么新添加的Entry对象指向null，也就不会产生Entry链了。

二、扩容问题。

随着HashMap中元素的数量越来越多，发生碰撞的概率就越来越大，所产生的链表长度就会越来越长，这样势必会影响HashMap的速度，为了保证HashMap的效率，系统必须要在某个临界点进行扩容处理。该临界点在当HashMap中元素的数量等于table数组长度*加载因子。但是扩容是一个非常耗时的过程，因为它需要重新计算这些数据在新table数组中的位置并进行复制处理。所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

get方法的实现：

/**
  * Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}
  * if this map contains no mapping for the key.
  *
  * <p>
  * More formally, if this map contains a mapping from a key {@code k} to a
  * value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
  * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise it returns
  * {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
  *
  * </p><p>
  * A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> indicate that
  * the map contains no mapping for the key; it's also possible that the map
  * explicitly maps the key to {@code null}. The {@link #containsKey
  * containsKey} operation may be used to distinguish these two cases.
  *
  * @see #put(Object, Object)
  */
 public V get(Object key) {
  if (key == null)
   return getForNullKey();
  int hash = hash(key.hashCode());
  for (Entry<k , V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
    return e.value;
  }
  return null;
 }

当你理解了hashmap的put的工作原理，理解get的工作原理就非常简单了。当你传递一个key从hashmap总获取value的时候：

对key进行null检查。如果key是null，table[0]这个位置的元素将被返回。

key的hashcode()方法被调用，然后计算hash值。

indexFor(hash,table.length)用来计算要获取的Entry对象在table数组中的精确的位置，使用刚才计算的hash值。

在获取了table数组的索引之后，会迭代链表，调用equals()方法检查key的相等性，如果equals()方法返回true，get方法返回Entry对象的value，否则，返回null。

要牢记以下关键点：

HashMap有一个叫做Entry的内部类，它用来存储key-value对。

上面的Entry对象是存储在一个叫做table的Entry数组中。

table的索引在逻辑上叫做“桶”(bucket)，它存储了链表的第一个元素。

key的hashcode()方法用来找到Entry对象所在的桶。

如果两个key有相同的hash值，他们会被放在table数组的同一个桶里面。

key的equals()方法用来确保key的唯一性。

value对象的equals()和hashcode()方法根本一点用也没有。

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