老師：JDK中我們最常用的一個數據類是HashMap。那麼，誰可以回答一下HashMap的底層資料結構原理是什麼呢？

小明：老師，我知道。眾所周知，HashMap是一個用於儲存Key-Value鍵值對的集合，每一個鍵值對也叫做Entry。這些個鍵值對（Entry）分散儲存在一個數組當中，這個陣列就是HashMap的主幹。

HashMap陣列每一個元素的初始值都是Null。

對於HashMap，我們最常使用的是兩個方法：Get 和 Put。

1.Put方法的原理

呼叫Put方法的時候發生了什麼呢？

比如呼叫hashMap.put("apple", 0) ，插入一個Key為“apple"的元素。這時候我們需要利用一個雜湊函式來確定

index=  Hash（“apple”）

假定最後計算出的index是2，那麼結果如下：

但是，因為HashMap的長度是有限的，當插入的Entry越來越多時，再完美的Hash函式也難免會出現index衝突的情況。比如下面這樣：

這時候該怎麼辦呢？我們可以利用連結串列來解決。

HashMap陣列的每一個元素不止是一個Entry物件，也是一個連結串列的頭節點。每一個Entry物件通過Next指標指向它的下一個Entry節點。當新來的Entry對映到衝突的陣列位置時，只需要插入到對應的連結串列即可：

需要注意的是，新來的Entry節點插入連結串列時，使用的是“頭插法”。至於為什麼不插入連結串列尾部，後面會有解釋。

2.Get方法的原理

使用Get方法根據Key來查詢Value的時候，發生了什麼呢？

首先會把輸入的Key做一次Hash對映，得到對應的index：

index=  Hash（“apple”）

由於剛才所說的Hash衝突，同一個位置有可能匹配到多個Entry，這時候就需要順著對應連結串列的頭節點，一個一個向下來查詢。假設我們要查詢的Key

是“apple”：

第一步，我們檢視的是頭節點Entry6，Entry6的Key是banana，顯然不是我們要找的結果。

第二步，我們檢視的是Next節點Entry1，Entry1的Key是apple，正是我們要找的結果。

之所以把Entry6放在頭節點，是因為HashMap的發明者認為，後插入的

老師：不錯！整體上說的差不多。不過我還有幾個問題想深入問一下。HashMap預設的初始長度是多少？為什麼這麼規定？

小明：呃，不知道。。。。。

老師：高併發情況下，為什麼HashMap可能會出現死鎖？

小明：呃，也不知道。。。。。

老師：在Java8當中，HashMap的結構有什麼樣的優化？

小明：呃。。。。。

老師：針對這幾個問題，咱們來深入瞭解一下HashMap的底層結構原理。首先明確一點，HashMap的預設初始長度是16，並且每次自動擴充套件或是手動初始化時，長度必須是2的冪。

小明：為什麼是16？有什麼特殊意義呢？

老師：之所以選擇16，是為了服務於從Key對映到index的Hash演算法。

之前說過，從Key對映到HashMap陣列的對應位置，會用到一個Hash函式：

index=  Hash（“apple”）

如何實現一個儘量均勻分佈的Hash函式呢？我們通過利用Key的HashCode值來做某種運算。

小明：我知道了，是不是把Key的HashCode值和HashMap長度做取模運算呀？

index=  HashCode（Key） % Length ?

老師：錯！取模運算的方式固然簡單，但是效率很低。為了實現高效的Hash演算法，HashMap的發明者採用了位運算的方式。

如何進行位運算呢？有如下的公式（Length是HashMap的長度）：

index=  HashCode（Key） &  （Length - 1） 

下面我們以值為“book”的Key來演示整個過程：

1.計算book的hashcode，結果為十進位制的3029737，二進位制的1011100011101011101001。

2.假定HashMap長度是預設的16，計算Length-1的結果為十進位制的15，二進位制的1111。

3.把以上兩個結果做與運算，101110001110101110 1001 & 1111 = 1001，十進位制是9，所以index=9。可以說，Hash演算法最終得到的index結果，完全取決於Key的Hashcode值的最後幾位。

小明：這樣的方式有什麼好處呢？為什麼長度必須是16或者2的冪？比如HashMap長度是10會怎麼樣？

老師：這樣做不但效果上等同於取模，而且還大大提高了效能。至於為什麼採用16，我們可以試試長度是10會出現什麼問題。

假設HashMap的長度是10，重複剛才的運算步驟：

單獨看這個結果，表面上並沒有問題。我們再來嘗試一個新的HashCode  101110001110101110 1011 ：

讓我們再換一個HashCode 101110001110101110 1111 試試  ：

是的，雖然HashCode的倒數第二第三位從0變成了1，但是運算的結果都是1001。也就是說，當HashMap長度為10的時候，有些index結果的出現機率會更大，而有些index結果永遠不會出現（比如0111）！

這樣，顯然不符合Hash演算法均勻分佈的原則。

反觀長度16或者其他2的冪，Length-1的值是所有二進位制位全為1，這種情況下，index的結果等同於HashCode後幾位的值。只要輸入的HashCode本身分佈均勻，Hash演算法的結果就是均勻的。

小明：這下明白了。

老師：HashMap的設計還存在著許多玄妙之處。關於高併發情況下的HashMap,我們以後會繼續介紹。

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