1. 前言

能用圖說清楚的，就堅決不用程式碼。能用程式碼擼清楚的，就堅決不寫解釋（不是不寫註釋哦）。

以下所有僅針對JDK 1.7及之前中的HashMap。

2. 資料結構

HashMap內部通過維護一個Entry<K, V>陣列（變數為table），來實現其基本功能，而Entry<K, V>是HashMap的內部類，其主要作用便是儲存鍵值對，其資料結構大致如下圖所示。

從Entry的資料結構可以看出，多個Entry是可以形成一個單向連結串列的，HashMap中維護的Entry<K, V>陣列（之後簡稱為Entry陣列，或table，容易區分）其實就是儲存的一系列Entry<K, V>連結串列的表頭。那麼HashMap中儲存資料table陣列的資料結構，大致可以如下圖所示（假設只有部分資料）。

注：Entry陣列的預設長度為16，負載因子為0.75。

將上圖中的每一行，稱為桶（bucket），那麼table的索引便是bucketIndex。而HashMap中的插入、獲取、刪除等操作最主要的便是對table和桶（bucket）的操作。下面將主要通過插入操作，看其資料結構的變化。

3. 插入

對於上圖中的資料結構，插入操作便是將要插入的鍵 - 值（key - value）對根據key計算hash值來選擇具體的儲存位置。

插入函式的原始碼如下（以Mark開頭的或者中文註釋，非JDK原始碼中的註釋，下同）：

public V put(K key, V value) {
    // Mark A Begin
 

    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // Mark A End

    int hash = hash(key); // 計算hash值
    int i = indexFor(hash, table.length); // 計算桶的位置索引（bucketIndex）

    // Mark B begin
    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;
        }
    }
    // Mark B end

    modCount++; // 記錄修改次數，迭代的時候會據此判斷是否有被修改
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

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在上面的程式碼中，程式碼段A（Mark A Begin - Mark A End，下同）的主要作用是如果table為空則初始化陣列以及插入key為null時的操作，程式碼段B則是插入相同key時覆蓋原有的值，並返回原有的值。這裡重點關注的是addEntry(hash, key, value, i)方法。

addEntry方法原始碼如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        // 擴充table陣列的大小
        resize(2 * table.length);
        // 重新計算hash值
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        // 重新計算桶的位置索引
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

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createEntry方法原始碼如下：

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 將新的Enrty元素插入到對應桶的表頭
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

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Entry<>例項化的原始碼如下：

Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
    value = v;
    next = n; // 將原先桶的表頭向後移動
    key = k;
    hash = h;
}

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在整個插入操作中，有一個很重要的操作，便是對table陣列擴容，擴容的演算法相對簡單，但是在多執行緒下它卻容易引發一個執行緒安全的問題。

注：擴容需要會把原先table中的值移動到新的陣列中，再賦值給table變數，一個合適的初始大小和負載因子能夠提高效率。

4. 執行緒不安全

在多執行緒環境下，假設有容器map，其儲存的情況如下圖所示（淡藍色為已有資料）。

此時的map已經達到了擴容閾值12（16 * 0.75 = 12），而此時執行緒A與執行緒B同時對map容器進行插入操作，那麼都需要擴容。此時可能出現的情況如下：執行緒A與執行緒B都進行了擴容，此時便有兩個新的table，那麼再賦值給原先的table變數時，便會出現其中一個newTable會被覆蓋，假如執行緒B擴容的newTable覆蓋了執行緒A擴容的newTable，並且是在A已經執行了插入操作之後，那麼就會出現執行緒A的插入失效問題，也即是如下圖中的兩個table只能有一個會最後存在，而其中一個插入的值會被捨棄的問題。

這便是HashMap的執行緒不安全性，當然這只是其中的一點。而要消除這種隱患，則可以加鎖或使用HashTable和ConcurrentHashMap這樣的執行緒安全類，但是HashTable不被建議使用，推薦使用ConcurrentHashMap容器。