HashMap底層實現原理淺談

不論是實習還是正式工作，HashMap的底層實現原理一直是問地頻率最高的一個內容，今天記錄一下自己對HashMap的理解，如有不當之處，還請各位大佬指正。

一、前置名詞解釋

（1）雜湊表

雜湊表的主體軀幹就是陣列，我們可以利用下標對元素進行快速索引。新增一個元素時，元素的插入位置由雜湊函式來定。

（2）雜湊演算法/雜湊函式

雜湊函式的作用是將一個不固定長度的二進位制值經過運算，轉化為一個固定長度的二進位制值。將插入元素的key進行運算後，得到某個index值，從而確定在陣列中的儲存位置。但多個不相同的元素，經過雜湊函式運算後，可能得到相同的index，這就出現了雜湊衝突。

（3）雜湊衝突/雜湊碰撞

再好的雜湊演算法在有限長度的雜湊表上，都會造成雜湊衝突。那麼怎麼解決衝突呢？有多種解決方案

【1】開放地址法：放棄本次運算得到的index，繼續尋找下一塊未被佔用的空間

【2】再雜湊法

【3】鏈地址法：採用陣列（雜湊表主體）+連結串列（為了解決雜湊衝突而存在）的形式，雜湊表中儲存陣列，陣列中的元素空間儲存連結串列的頭結點。當發生衝突時，將相應的index位置上舊元素的指標next指向新元素即可。HashMap採用的就是這種方法。

二、HashMap的特點

（1）允許存放null鍵和null值，而HashTable都不允許

（2）不是執行緒安全的，而HashTable是執行緒安全的，當然我們可以使用ConcurrentHashMap來代替HashTable,而且ConcurrentHashMap的效能更好，因為它只對陣列的一部分進行上鎖，即分段鎖，而不是鎖住整個陣列。

（3）陣列的預設大小為16，原始碼中沒有直接寫16，而是1<<4。

  /**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

（4）預設的負載因子是0.75，表示的是，如果陣列中已經儲存的元素個數大於陣列長度的75%，將會引發擴容操作。

    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 

（5）擴容後，新陣列的長度為原來陣列的兩倍。陣列的預設大小與擴容倍數共同決定了陣列長度永遠是一個2的冪。

三、HashMap的實現原理

（1）HashMap的主幹

HashMap的主幹是一個Entry陣列，裡面存放Entry物件，每一個Entry物件包含（key,value）鍵值対和next指標以及對應的hash值。[jdk1.8之前用的是Entry，jdk1.8之後用的是Node，兩者基本等價]

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

（2）put（key，value）的過程

【1】由key計算雜湊值

【2】由雜湊值計算在陣列中的索引

【3】如果索引處的Entry為null的話，則直接在此處插入元素。如果索引出的Entry不為null的話，通過迴圈不斷遍歷連結串列查詢是否有相同雜湊值的key，如果有，再比較兩個key的是否相同，當雜湊值與key都相同時，則認為是同一個Entry物件並覆蓋原物件的value值。當雜湊值相同而key不相同時，則認為不是同一個Entry物件，那麼在連結串列尾部新增元素。[jdk1.8之前插入連結串列頭部，jdk1.8之後插入連結串列尾部]

當索引位置相同的key超過8個時，即連結串列長度大於8時，jdk1.8會將此連結串列轉化為紅黑樹。

（3）get（key）的過程

【1】由key計算雜湊值

【2】由雜湊值計算在陣列中的索引

【3】迴圈遍歷連結串列，如果有某一個Entry的key與雜湊值與搜尋的key、雜湊值都相同的話，則取出此key對應的value。

（4）擴容的過程

當陣列中已經儲存的元素個數大於陣列長度的負載因子倍數時，將會引發擴容操作。

【1】建立一個長度為原來陣列長度兩倍的新陣列。

【2】重新對原陣列中的Entry物件進行雜湊運算，以確定他們各自在新陣列中的新位置。

當然擴容的過程也會有很多問題，比如在多執行緒的情況下，多個執行緒同時對陣列進行擴容時，有可能會造成條件競爭，就會發生意料之外的結果。因此在多執行緒的情況下，還是得使用執行緒安全的HashMap，比如ConcurrentHashMap，或者是經過Collections.synchronized(HashMap<K,V>)封裝後的HashMap。

四，總結

HashMap可以用在快取處理，動態規劃中的備忘錄等，需要注意的是，HashMap不是執行緒安全的。

礙於博主才疏學淺，談到的HashMap原理非常的粗淺，博主定會在日後的學習與工作中，不斷的完善博文，努力提高部落格的水準。