本文屬於個人隨筆，純原創，轉載請註明出處

最近面試，屢屢被問道HashMap的實現，回答得總是不太流暢。回頭想想，HashMap作為平時用得最多的一個集合框架類，我對其其內部實現確實知之甚少。這有點說不過去，於是把原始碼搬出來，嘗試做個簡單分析，如有謬誤，還請指出，謝謝！

（本文所示原始碼均來源於JDK1.8.0_131）

首先翻譯一下類宣告前的一大段註釋吧，只提取關鍵資訊：

1、HashMap是基於雜湊表的Map介面實現類（間接實現：直接繼承自AbstractMap，而AbstractMap實現了Map介面)；

2、與HashTable相比，HashMap有兩個區別：其一是HashMap執行緒不安全，其二是HashMap允許鍵為null；

3、鑑於其內部實現是雜湊表，HashMap無法保證內部元素的順序始終不變；

4、影響HashMap讀寫效能的兩個要素：初始容量與載入因子；前者確定HashMap物件建立初期的容量，後者用於HashMap判斷是否達到需要擴容的臨界值（容量*載入因子）；如果達到臨界值，HashMap會重建內部資料結構，以獲得較之前相比約兩倍的容量；

5、載入因子預設0.75，以獲得性能與容量的平衡，過高可能會導致讀寫耗時增加、過低可能會浪費過多記憶體；

6、HashMap的迭代器Iterator內建fail-fast機制，不允許在遍歷過程中更改內部資料結構；

7、儘管該類在JDK 1.2開始就有了，但是直到JDK 1.8，該類還進行過大改動，這也從側面反映了這個類的使用範圍之廣，以至於一丁點的效能提升都顯得格為重要；

首先還是來看構造方法：

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }
 

四個過載的構造方法，一一說明：

1、空參：載入因子預設0.75，沒有指定初始容量；

2、一個整形引數：指定初始容量、載入因子預設0.75；

3、兩個引數：指定初始容量和載入因子；

4、一個Map型別引數：載入因子預設0.75，並呼叫putMapEntries將引數中的鍵值對新增到HashMap中；

其中，前三個構造方法執行完成後都沒有建立用於存放鍵值對的容器，而第四個構造方法也只是在putVal的方法裡才會呼叫到resize()並建立Node<K,V>陣列；

這裡插一句，tableSizeFor這個方法用於判斷傳入的初始容量是否合法，寫得很牛逼，具體演算法大家直接嘗試看原始碼吧：

    /**
     * Returns a power of two size for the given target capacity.
     */
    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

在兩個引數的構造方法中，我們注意到：

this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);

按照字面意思，這裡的threshold應該存放載入因子乘以容量的臨界值，為何在此存的是初始容量的校準值（姑且這麼叫吧，就是通過tableSizeFor方法校準過的返回值）？先表明態度——這不是bug，至於為啥，設為疑問A，稍後自會分曉；

既然構造方法本身都不會建立容器，那麼一定和第四個構造方法一樣，我們的容器一定就是在新增第一個元素的時候建立的，來到最常用的put(K key, V value)方法:

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

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    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;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

和上方的第四個構造方法一樣，會呼叫到final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)方法中，假設這個HashMap在構造完成後立即進行了put元素的操作，我們可以將構造方法的值直接代入，檢視程式碼走向：

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        n = (tab = resize()).length;
        i = (n - 1) & hash;
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        return null;
    }

簡化後的程式碼如上，我們可以看到，首先會執行resize()方法：

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

看到這裡，可以解答一下之前的疑問A了：

將初始容量存入threshold成員變數是為了在resize()方法中做判斷，再將其賦值與newCap變數，用於建立容器時使用，說白了，就是一個記錄臨時變數的作用。

好了，回來繼續看resize()方法，同樣我們按照之前的邏輯將方法簡化：

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        newCap = oldThr;
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        return newTab;
    }

可以看出來，初始化容器其實並沒有做太多事情，主要是一些變數間的賦值和一個Node陣列的建立，而這個Node陣列，則是HashMap的內部資料結構；

我們從而得到結論1：HashMap是通過內部維護一個鍵值對陣列來實現的。

基於結論1，我們肯定會問，這跟雜湊有啥關係？

別急，我們只是看了resize()方法，而呼叫它的putVal方法我們還沒看完，於是我們回到putVal方法，來看看resize之後又做了什麼：

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        n = (tab = resize()).length;
        i = (n - 1) & hash;
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        return null;
    }

關鍵程式碼出現了：

首先，陣列的下標i是通過陣列長度-1再位與上hash值而來；

其次，建立一個Node物件存放鍵值對於雜湊值，並將其賦值給tab[i]。如果說HashMap內部是一個數組，那麼往這個數組裡面的某個元素賦值，則就是往HashMap裡面新增元素的關鍵所在了；

不急，一個一個來。

首先，我們可能需要回頭看下這個整形引數hash的來歷：

翻遍整個HashMap.java，我們看到呼叫putVal並傳入的第一個引數，始終都是通過hash(key)獲得的；

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

再次宣告，本文程式碼基於JDK1.8.0_131，每個版本的方法實現可能不一樣。不過我們暫時不深入瞭解這個，不然就沒完沒了了，我們只需要知道，putVal方法的第一引數是通過HashMap內部的hash方法，對需要put的key進行雜湊運算得到的。

那麼利用運算得到的雜湊值hash位與上鍵值對陣列的最大下標（length - 1）所得的數值i，就是這次putVal操作需要新增的鍵值對存放在內部陣列的位置；

如果每次新增元素的操作都如我簡化後的程式碼這樣執行，那麼這個HashMap也就不會那麼備受推崇了，甚至你會覺得求hash變得沒那麼必要。別急，作為Map的實現類，乃至整個集合框架內使用頻率最高的HashMap，絕對沒那麼簡單。

這一篇先寫到這，本來打算一口氣寫完，不過感覺這樣會很亂，也很冗長。不如在此停頓一下，預計明天再開一篇，跟下putVal的其他幾個if 、else if；