發現別人已經總結的很詳盡了，就不重複造輪子了。

本文系轉載，原文地址：http://www.importnew.com/20386.html

Java為資料結構中的對映定義了一個介面java.util.Map，此介面主要有四個常用的實現類，分別是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap，類繼承關係如下圖所示：

下面針對各個實現類的特點做一些說明：

(1) HashMap：它根據鍵的hashCode值儲存資料，大多數情況下可以直接定位到它的值，因而具有很快的訪問速度，但遍歷順序卻是不確定的。 HashMap最多隻允許一條記錄的鍵為null，允許多條記錄的值為null。HashMap非執行緒安全，即任一時刻可以有多個執行緒同時寫HashMap，可能會導致資料的不一致。如果需要滿足執行緒安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有執行緒安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。

(2) Hashtable：Hashtable是遺留類，很多對映的常用功能與HashMap類似，不同的是它承自Dictionary類，並且是執行緒安全的，任一時間只有一個執行緒能寫Hashtable，併發性不如ConcurrentHashMap，因為ConcurrentHashMap引入了分段鎖。Hashtable不建議在新程式碼中使用，不需要執行緒安全的場合可以用HashMap替換，需要執行緒安全的場合可以用ConcurrentHashMap替換。

(3) LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一個子類，儲存了記錄的插入順序，在用Iterator遍歷LinkedHashMap時，先得到的記錄肯定是先插入的，也可以在構造時帶引數，按照訪問次序排序。

(4) TreeMap：TreeMap實現SortedMap介面，能夠把它儲存的記錄根據鍵排序，預設是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，當用Iterator遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。如果使用排序的對映，建議使用TreeMap。在使用TreeMap時，key必須實現Comparable介面或者在構造TreeMap傳入自定義的Comparator，否則會在執行時丟擲java.lang.ClassCastException型別的異常。

對於上述四種Map型別的類，要求對映中的key是不可變物件。不可變物件是該物件在建立後它的雜湊值不會被改變。如果物件的雜湊值發生變化，Map物件很可能就定位不到對映的位置了。

通過上面的比較，我們知道了HashMap是Java的Map家族中一個普通成員，鑑於它可以滿足大多數場景的使用條件，所以是使用頻度最高的一個。下文我們主要結合原始碼，從儲存結構、常用方法分析、擴容以及安全性等方面深入講解HashMap的工作原理。

內部實現

搞清楚HashMap，首先需要知道HashMap是什麼，即它的儲存結構-欄位；其次弄明白它能幹什麼，即它的功能實現-方法。下面我們針對這兩個方面詳細展開講解。

儲存結構-欄位

從結構實現來講，HashMap是陣列+連結串列+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現的，如下如所示。

這裡需要講明白兩個問題：資料底層具體儲存的是什麼？這樣的儲存方式有什麼優點呢？

(1) 從原始碼可知，HashMap類中有一個非常重要的欄位，就是 Node[] table，即雜湊桶陣列，明顯它是一個Node的陣列。我們來看Node[JDK1.8]是何物。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;    //用來定位陣列索引位置
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;   //連結串列的下一個node
 
        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }
        public final K getKey(){ ... }
        public final V getValue() { ... }
        public final String toString() { ... }
        public final int hashCode() { ... }
        public final V setValue(V newValue) { ... }
        public final boolean equals(Object o) { ... }
}
Node是HashMap的一個內部類，實現了Map.Entry介面，本質是就是一個對映(鍵值對)。上圖中的每個黑色圓點就是一個Node物件。

(2) HashMap就是使用雜湊表來儲存的。雜湊表為解決衝突，可以採用開放地址法和鏈地址法等來解決問題，Java中HashMap採用了鏈地址法。鏈地址法，簡單來說，就是陣列加連結串列的結合。在每個陣列元素上都一個連結串列結構，當資料被Hash後，得到陣列下標，把資料放在對應下標元素的連結串列上。例如程式執行下面程式碼：

1	map.put("美團","小美");

系統將呼叫”美團”這個key的hashCode()方法得到其hashCode 值（該方法適用於每個Java物件），然後再通過Hash演算法的後兩步運算（高位運算和取模運算，下文有介紹）來定位該鍵值對的儲存位置，有時兩個key會定位到相同的位置，表示發生了Hash碰撞。當然Hash演算法計算結果越分散均勻，Hash碰撞的概率就越小，map的存取效率就會越高。

如果雜湊桶陣列很大，即使較差的Hash演算法也會比較分散，如果雜湊桶陣列陣列很小，即使好的Hash演算法也會出現較多碰撞，所以就需要在空間成本和時間成本之間權衡，其實就是在根據實際情況確定雜湊桶陣列的大小，並在此基礎上設計好的hash演算法減少Hash碰撞。那麼通過什麼方式來控制map使得Hash碰撞的概率又小，雜湊桶陣列（Node[] table）佔用空間又少呢？答案就是好的Hash演算法和擴容機制。

在理解Hash和擴容流程之前，我們得先了解下HashMap的幾個欄位。從HashMap的預設建構函式原始碼可知，建構函式就是對下面幾個欄位進行初始化，原始碼如下：

1 2 3 4

intthreshold;            // 所能容納的key-value對極限 finalfloatloadFactor;    // 負載因子 intmodCount;  intsize;

首先，Node[] table的初始化長度length(預設值是16)，Load factor為負載因子(預設值是0.75)，threshold是HashMap所能容納的最大資料量的Node(鍵值對)個數。threshold = length * Load factor。也就是說，在陣列定義好長度之後，負載因子越大，所能容納的鍵值對個數越多。

結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此Load factor和length(陣列長度)對應下允許的最大元素數目，超過這個數目就重新resize(擴容)，擴容後的HashMap容量是之前容量的兩倍。預設的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇，建議大家不要修改，除非在時間和空間比較特殊的情況下，如果記憶體空間很多而又對時間效率要求很高，可以降低負載因子Load factor的值；相反，如果記憶體空間緊張而對時間效率要求不高，可以增加負載因子loadFactor的值，這個值可以大於1。

size這個欄位其實很好理解，就是HashMap中實際存在的鍵值對數量。注意和table的長度length、容納最大鍵值對數量threshold的區別。而modCount欄位主要用來記錄HashMap內部結構發生變化的次數，主要用於迭代的快速失敗。強調一點，內部結構發生變化指的是結構發生變化，例如put新鍵值對，但是某個key對應的value值被覆蓋不屬於結構變化。

在HashMap中，雜湊桶陣列table的長度length大小必須為2的n次方(一定是合數)，這是一種非常規的設計，常規的設計是把桶的大小設計為素數。相對來說素數導致衝突的概率要小於合數，具體證明可以參考，Hashtable初始化桶大小為11，就是桶大小設計為素數的應用（Hashtable擴容後不能保證還是素數）。HashMap採用這種非常規設計，主要是為了在取模和擴容時做優化，同時為了減少衝突，HashMap定位雜湊桶索引位置時，也加入了高位參與運算的過程。

這裡存在一個問題，即使負載因子和Hash演算法設計的再合理，也免不了會出現拉鍊過長的情況，一旦出現拉鍊過長，則會嚴重影響HashMap的效能。於是，在JDK1.8版本中，對資料結構做了進一步的優化，引入了紅黑樹。而當連結串列長度太長（預設超過8）時，連結串列就轉換為紅黑樹，利用紅黑樹快速增刪改查的特點提高HashMap的效能，其中會用到紅黑樹的插入、刪除、查詢等演算法。本文不再對紅黑樹展開討論，想了解更多紅黑樹資料結構的工作原理可以參考。

功能實現-方法

HashMap的內部功能實現很多，本文主要從根據key獲取雜湊桶陣列索引位置、put方法的詳細執行、擴容過程三個具有代表性的點深入展開講解。

1. 確定雜湊桶陣列索引位置

不管增加、刪除、查詢鍵值對，定位到雜湊桶陣列的位置都是很關鍵的第一步。前面說過HashMap的資料結構是陣列和連結串列的結合，所以我們當然希望這個HashMap裡面的元素位置儘量分佈均勻些，儘量使得每個位置上的元素數量只有一個，那麼當我們用hash演算法求得這個位置的時候，馬上就可以知道對應位置的元素就是我們要的，不用遍歷連結串列，大大優化了查詢的效率。HashMap定位陣列索引位置，直接決定了hash方法的離散效能。先看看原始碼的實現(方法一+方法二):

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

方法一： staticfinalint hash(Object key) {   //jdk1.8 & jdk1.7 inth; // h = key.hashCode() 為第一步 取hashCode值 // h ^ (h >>> 16)  為第二步 高位參與運算 return(key == null) ?