(10) java源码分析 ---- HashMap源码分析 及其 实现原理分析
来源：互联网 发布：素描画图软件 编辑：程序博客网 时间：2024/06/01 09:48
. HashMap的数据结构
数据结构中有数组和链表来实现对数据的存储，但这两者基本上是两个极端。
数组
数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；
链表
链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。
哈希表
那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表。哈希表（(Hash table）既满足了数据的查找方便，同时不占用太多的内容空间，使用也十分方便。
哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法，我们可以理解为“链表的数组” ，如图：
从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。
比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。
HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。
首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。
transient Entry[] table;
2. HashMap源码分析
HashMap继承自AbstractMap，实现了Map接口（这些内容可以参考《Java集合类》）。来看类的定义。
1 public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
Map接口定义了所有Map子类必须实现的方法。Map接口中还定义了一个内部接口Entry。
AbstractMap也实现了Map接口，并且提供了两个实现Entry的内部类：SimpleEntry和SimpleImmutableEntry。
定义了接口，接口中又有内部接口，然后有搞了个抽象类实现接口，抽象类里面又搞了两个内部类实现接口的内部接口，有没有点绕，为什么搞成这样呢？先不管了，先看HashMap吧。
HashMap中定义的属性（应该都能看明白，不过还是解释一下）：
1 /** 2 * 默认的初始容量，必须是2的幂。 3 */ 4 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; 5 /** 6 * 最大容量（必须是2的幂且小于2的30次方，传入容量过大将被这个值替换） 7 */ 8 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 9 /**10 * 默认装载因子，这个后面会做解释11 */12 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;13 /**14 * 存储数据的Entry数组，长度是2的幂。看到数组的内容了，接着看数组中存的内容就明白为什么博文开头先复习数据结构了15 */16 transient Entry[] table;17 /**18 * map中保存的键值对的数量19 */20 transient int size;21 /**22 * 需要调整大小的极限值（容量*装载因子）23 */24 int threshold;25 /**26 *装载因子27 */28 final float loadFactor;29 /**30 * map结构被改变的次数31 */32 transient volatile int modCount;
接着是HashMap的构造方法。
/** *使用默认的容量及装载因子构造一个空的HashMap */ public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);//计算下次需要调整大小的极限值 table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY]; //根据默认容量（16）初始化table
init(); }/** * 根据给定的初始容量的装载因子创建一个空的HashMap * 初始容量小于0或装载因子小于等于0将报异常 */ public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)//调整最大容量 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); int capacity = 1; //设置capacity为大于initialCapacity且是2的幂的最小值 while (capacity < initialCapacity) // 假设initialCapacity的值为30 则capacity的值 最终问2的5次方 32 。 capacity <<= 1; //也就是说hashMap中entry[] 的初始化大小是32 而非30。 this.loadFactor = loadFactor; threshold = (int)(capacity * loadFactor); table = new Entry[capacity]; init(); }/** *根据指定容量创建一个空的HashMap */ public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);//调用上面的构造方法，容量为指定的容量，装载因子是默认值 }/** *通过传入的map创建一个HashMap，容量为默认容量（16）和(map.zise()/DEFAULT_LOAD_FACTORY)+1的较大者，装载因子为默认值 */ public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
//调用构造方法 传入相关参数 并完成初始化 this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
putAllForCreate(m); }上面的构造方法中调用到了init()方法，最后一个方法还调用了putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m)。init方法是一个空方法，里面没有任何内容。（其作用为何？）
putAllForCreate看方法名就是创建的时候将传入的map全部放入新创建的对象中。该方法中还涉及到其他方法，将在后面介绍。
先看初始化table时均使用了Entry，这是HashMap的一个内部类，实现了Map接口的内部接口Entry。
下面给出Map.Entry接口及HashMap.Entry类的内容。
Map.Entry接口定义的方法
1 K getKey();//获取Key2 V getValue();//获取Value3 V setValue();//设置Value，至于具体返回什么要看具体实现4 boolean equals(Object o);//定义equals方法用于判断两个Entry是否相同5 int hashCode();//定义获取hashCode的方法
HashMap.Entry类的具体实现
1 static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { 2 final K key; 3 V value; 4 Entry<K,V> next;//对下一个节点的引用（看到链表的内容，结合定义的Entry数组，是不是想到了哈希表的拉链法实现？！） 5 final int hash;//哈希值 6 7 Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { 8 value = v; 9 next = n;10 key = k;11 hash = h;12 }13 14 public final K getKey() {15 return key;16 }17 18 public final V getValue() {19 return value;20 }21 22 public final V setValue(V newValue) {23 V oldValue = value;24 value = newValue;25 return oldValue;//返回的是之前的Value26 }27 28 public final boolean equals(Object o) {29 if (!(o instanceof Map.Entry))//先判断类型是否一致30 return false;31 Map.Entry e = (Map.Entry)o;32 Object k1 = getKey();33 Object k2 = e.getKey();34 // Key相等且Value相等则两个Entry相等35 if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {36 Object v1 = getValue();37 Object v2 = e.getValue();38 if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))39 return true;40 }41 return false;42 }43 // hashCode是Key的hashCode和Value的hashCode的异或的结果44 public final int hashCode() {45 return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^46 (value==null ? 0 : value.hashCode());47 }48 // 重写toString方法，是输出更清晰49 public final String toString() {50 return getKey() + "=" + getValue();51 }52 53 /**54 *当调用put(k,v)方法存入键值对时，如果k已经存在，则该方法被调用（为什么没有内容？）55 */56 void recordAccess(HashMap<K,V> m) {57 }58 59 /**60 * 当Entry被从HashMap中移除时被调用（为什么没有内容？）61 */62 void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {63 }64 }
看完属性和构造方法，接着看HashMap中的其他方法，一个个分析，从最常用的put和get说起吧。
put()
该方法 返回与 key 关联的旧值；如果key 没有任何映射关系，则返回null。
1 public V put(K key, V value) { 2 if (key == null) 3 return putForNullKey(value);
4 int hash = hash(key.hashCode()); 5 int i = indexFor(hash, table.length); //获取应该存放的索引值
6 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { //校验key值之前是否存在，存在则替换并返回先前的值 7 Object k; 8 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { 9 V oldValue = e.value;10 e.value = value;11 e.recordAccess(this);12 return oldValue;13 }14 }
15 // 该key之前不存在 则 执行 添加操作16 modCount++;17 addEntry(hash, key, value, i); //四个参数 hash值 key value i索引18 return null;19 }
当存入的key是null的时候将调用putForNUllKey方法，暂时将这段逻辑放一边，看key不为null的情况。
先调用了hash(int h)方法获取了一个hash值。
1 static int hash(int h) {2 // This function ensures that hashCodes that differ only by3 // constant multiples at each bit position have a bounded4 // number of collisions (approximately 8 at default load factor).5 h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);6 return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);7 }
这个方法的主要作用是防止质量较差的哈希函数带来过多的冲突（碰撞）问题。Java中int值占4个字节，即32位。根据这32位值进行移位、异或运算得到一个值。
1 static int indexFor(int h, int length) {2 return h & (length-1);3 }
indexFor返回hash值和table数组长度减1的与运算结果，获取索引位置。
为什么使用的是length-1？因为这样可以保证结果的最大值是length-1，不会产生数组越界问题。
获取索引位置之后做了什么？探测table[i]所在的链表，
所发现key值与传入的key值相同的对象，则替换并返回oldValue。（key值之前存在，替换并且返回旧值）
若找不到，则通过addEntry(hash,key,value,i)添加新的对象。 （key值之前不存在，添加addEntry方法 ，并返回null）
来看addEntry(hash,key,value,i)方法。
1 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {2 Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; //bucketIndex位置的元素先保存起来（新加的entry要占据这个位置）3 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);//将新的值存到bucketIndex处，该值的next指向 刚刚保存的e元素4 //检测是不是需要扩充容量 （2倍2倍的扩容）
if (size++ >= threshold) // threshold默认值 是 16 * 0.75 = 125 resize(2 * table.length);6 }
这就是在一个链表头部插入一个节点的过程。获取table[i]的对象e，将table[i]的对象修改为新增对象，让新增对象的next指向e。
之后判断size是否到达了需要扩充table数组容量的界限并让size自增1，如果达到了则调用resize(int capacity)方法将数组容量拓展为原来的两倍。
1 void resize(int newCapacity) { 2 Entry[] oldTable = table; 3 int oldCapacity = oldTable.length; 4 // 这个if块表明，如果容量已经到达允许的最大值，即MAXIMUN_CAPACITY，则不再拓展容量，而将装载拓展的界限值设为计算机允许的最大值。 5 // 不会再触发resize方法，而是不断的向map中添加内容，即table数组中的链表可以不断变长，但数组长度不再改变 6 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //MAXIMUM_CAPACITY 1073741824 [0x40000000] 7 threshold = Integer.MAX_VALUE; 8 return; 9 }10 // 创建新数组，容量为指定的容量11 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];12 transfer(newTable);13 table = newTable;14 // 设置下一次需要调整数组大小的界限15 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);16 }
结合上面给出的注释，调整数组容量的内容仅剩下将原table中的内容复制到newTable中并将newTable赋值给给table变量。
即上面代码中的“transfer(newTable);table = newTable;”。
来看transfer(Entry[] newTable)方法。
1 void transfer(Entry[] newTable) { 2 // 保留原数组的引用到src中， 3 Entry[] src = table; 4 // 新容量使新数组的长度 5 int newCapacity = newTable.length; 6 // 遍历原数组 7 for (int j = 0; j < src.length; j++) { 8 // 获取元素e （此处的e是单链表的头结点） 9 Entry<K,V> e = src[j];10 if (e != null) {11 // 将原数组中的元素置为null12 src[j] = null;13 // 遍历原数组中j位置指向的链表14 do {15 Entry<K,V> next = e.next;16 // 根据新的容量计算e在新数组中的位置17 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);18 // 将e插入到newTable[i]指向的链表的头部19 e.next = newTable[i];20 newTable[i] = e;21 e = next;22 } while (e != null);23 }24 }25 }
这样处理效果 原来的 单链表如果 顺序是 （头） a b c d e （尾）
通过 transfer方法之后的顺序是 (头) e d c b a （尾） 因为后插入的在 链表的头部。
从上面的代码可以看出，HashMap之所以不能保持元素的顺序有以下几点原因：
第一，插入元素的时候对元素进行哈希处理，不同元素分配到table的不同位置；
第二，容量拓展的时候又进行了hash处理；
第三，复制原表内容的时候链表被倒置。
一个put方法带出了这么多内容，接着看看putAll吧。
1 public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) { 2 int numKeysToBeAdded = m.size(); 3 if (numKeysToBeAdded == 0) 4 return; 5 // 为什么判断条件是numKeysToBeAdded，不是(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold??? 6 if (numKeysToBeAdded > threshold) { 7 int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1); 8 if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) 9 targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;10 int newCapacity = table.length;11 while (newCapacity < targetCapacity)12 newCapacity <<= 1;13 if (newCapacity > table.length)14 resize(newCapacity);15 }16 17 for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {18 Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();19 put(e.getKey(), e.getValue());20 }21 }
先回答上面的问题：为什么判断条件是numKeysToBeAdded，不是(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold???
这是一种保守的做法，明显地，我们应该在(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold的时候去拓展容量，但是考虑到将被添加的元素可能会有Key与原本存在的Key相同的情况，所以采用保守的做法，避免拓展到过大的容量。
接着是遍历m中的内容，然后调用put方法将元素添加到table数组中。
遍历的时候涉及到了entrySet方法，这个方法定义在Map接口中，HashMap中也有实现，后面会解释HashMap的这个方法，其它Map的实现暂不解释。
下面介绍在put方法中被调用到的putForNullKey方法。
1 private V putForNullKey(V value) { 2 for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) { 3 if (e.key == null) { 4 V oldValue = e.value; 5 e.value = value; 6 e.recordAccess(this); 7 return oldValue; 8 } 9 }10 modCount++;11 addEntry(0, null, value, 0); // null 的 hash值是0 。 索引位置 index也是 012 return null;13 }
这是一个私有方法，在put方法中被调用。它首先遍历table数组，如果找到key为null的元素，则替换元素值并返回oldValue；
否则通过addEntry方法添加元素，之后返回null。
还记得上面构造方法中调用到的putAllForCreate吗？一口气将put操作的方法看完吧。
1 private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {2 for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {3 Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();4 putForCreate(e.getKey(), e.getValue());5 }6 }
先将遍历的过程放在一边，因为它同样涉及到了entrySet()方法。剩下的代码很简单，只是调用putForCreate方法逐个元素加入。
1 private void putForCreate(K key, V value) { 2 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode()); 3 int i = indexFor(hash, table.length); 4 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { 5 Object k; 6 if (e.hash == hash && 7 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { 8 e.value = value; 9 return;10 }11 }12 createEntry(hash, key, value, i);13 }
该方法先计算需要添加的元素的hash值和在table数组中的索引i。接着遍历table[i]的链表，若有元素的key值与传入key值相等，则替换value， 结束方法。若不存在key值相同的元素，则调用createEntry创建并添加元素。
1 void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {2 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];3 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);4 size++;5 }
这个方法的内容就不解释了，上面都解释过。
至此所有put相关操作都解释完毕了。
put之外，另一个常用的操作就是get，下面就来看get方法。
1 public V get(Object key) { 2 if (key == null) 3 return getForNullKey(); 4 int hash = hash(key.hashCode()); 5 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null; e = e.next) { 8 Object k; 9 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))10 return e.value;11 }12 return null;13 }
该方法分为key为null和不为null两块。先看不为null的情况。先获取key的hash值，之后通过hash值及table.length获取key对应的table数组的索引，遍历索引的链表，所找到key相同的元素，则返回元素的value，否者返回null。不为null的情况调用了getForNullKey()方法。
1 private V getForNullKey() {2 for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {3 if (e.key == null)4 return e.value;5 }6 return null;7 }
这是一个私有方法，只在get中被调用。该方法判断table[0]中的链表是否包含key为null的元素，包含则返回value，不包含则返回null。为什么是遍历table[0]的链表？因为key为null的时候获得的hash值都是0。
添加（put）和获取（get）都结束了，接着看如何判断一个元素是否存在。
HashMap没有提供判断元素是否存在的方法，只提供了判断Key是否存在及Value是否存在的方法，分别是containsKey(Object key)、containsValue(Object value)。
containsKey(Object key)方法很简单，只是判断getEntry(key)的结果是否为null，是则返回false，否返回true。
1 public boolean containsKey(Object key) { 2 return getEntry(key) != null; 3 } 4 final Entry<K,V> getEntry(Object key) { 5 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode()); 6 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null;e = e.next) { 9 Object k;10 if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))12 return e;13 }14 return null;15 }
getEntry(Object key)也没什么内容，只是根据key对应的hash值计算在table数组中的索引位置，然后遍历该链表判断是否存在相同的key值。
1 public boolean containsValue(Object value) { 2 if (value == null) 3 return containsNullValue(); 4 5 Entry[] tab = table; 6 for (int i = 0; i < tab.length ; i++) 7 for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) 8 if (value.equals(e.value)) 9 return true;10 return false;11 }12 private boolean containsNullValue() {13 Entry[] tab = table;14 for (int i = 0; i < tab.length ; i++)15 for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)16 if (e.value == null)17 return true;18 return false;19 }
判断一个value是否存在比判断key是否存在还要简单，就是遍历所有元素判断是否有相等的值。
这里分为两种情况处理，value为null何不为null的情况，但内容差不多，只是判断相等的方式不同。
这个判断是否存在必须遍历所有元素，是一个双重循环的过程，因此是比较耗时的操作。
接着看HashMap中“删除”相关的操作，有remove(Object key)和clear()两个方法。
remove(Object key)
1 public V remove(Object key) {2 Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);3 return (e == null ? null : e.value);4 }
看这个方法，removeEntryKey(key)的返回结果应该是被移除的元素，如果不存在这个元素则返回为null。remove方法根据removeEntryKey返回的结果e是否为null返回null或e.value。
removeEntryForKey(Object key)
1 final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) { 2 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode()); 3 int i = indexFor(hash, table.length); 4 Entry<K,V> prev = table[i]; 5 Entry<K,V> e = prev; 6 7 while (e != null) { 8 Entry<K,V> next = e.next; 9 Object k;10 if (e.hash == hash &&11 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {12 modCount++;13 size--;14 if (prev == e)15 table[i] = next;16 else17 prev.next = next;18 e.recordRemoval(this);19 return e;20 }21 prev = e;22 e = next;23 }24 25 return e;26 }
上面的这个过程就是先找到table数组中对应的索引，接着就类似于一般的链表的删除操作，而且是单向链表删除节点，很简单。
在C语言中就是修改指针，这个例子中就是将要删除节点的前一节点的next指向删除被删除节点的next即可。
clear()
1 public void clear() {2 modCount++;3 Entry[] tab = table;4 for (int i = 0; i < tab.length; i++)5 tab[i] = null;6 size = 0;7 }
clear()方法删除HashMap中所有的元素，这里就不用一个个删除节点了，而是直接将table数组内容都置空，这样所有的链表都已经无法访问，Java的垃圾回收机制会去处理这些链表。table数组置空后修改size为0。
这里为什么不直接操作table而是通过tab呢？希望有知道的大侠指点一二。
主要方法看的差不多了，接着看一个上面提到了好几次但是都搁在一边没有分析的方法：entrySet()。
entrySet()
1 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {2 return entrySet0();3 }4 5 private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {6 Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;7 return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());8 }
为什么会有这样的方法，只是调用了一下entrySet0，而且entrySet0的名称看着就很奇怪。再看entrySet0方法中为什么不直接return entrySet!=null?entrySet:(entrySet = new EntrySet)呢？
上面的疑问还没解开，但是先看entrySet这个属性吧，在文章开头的属性定义中并没有给出这个属性，下面先看一下它的定义：
1 private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;
它是一个内容为Map.Entry<K,V>的Set。看看在哪些地方往里面添加了元素。
为什么上面的那句话我要把它标成红色？因为这是一个陷阱，在看代码的时候我就陷进去了。
仔细看EntrySet这个类。
1 private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> { 2 public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() { 3 return new EntryIterator(); 4 } 5 public boolean contains(Object o) { 6 if (!(o instanceof Map.Entry)) 7 return false; 8 Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o; 9 Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());10 return candidate != null && candidate.equals(e);11 }12 public boolean remove(Object o) {13 return removeMapping(o) != null;14 }15 public int size() {16 return size;17 }18 public void clear() {19 HashMap.this.clear();20 }21 }
看到了什么？这个类根本就没属性，它只是个代理。因为它内部类，可以访问外部类的内容，debug的时候能看到的属性都是继承或者外部类的属性，输出的时候其实也是调用到了父类的toString方法将HashMap中的内容输出了。
keySet()
1 public Set<K> keySet() {2 Set<K> ks = keySet;3 return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));4 }
是不是和entrySet0()方法很像！
1 private final class KeySet extends AbstractSet<K> { 2 public Iterator<K> iterator() { 3 return newKeyIterator(); 4 } 5 public int size() { 6 return size; 7 } 8 public boolean contains(Object o) { 9 return containsKey(o);10 }11 public boolean remove(Object o) {12 return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;13 }14 public void clear() {15 HashMap.this.clear();16 }17 }
同样是个代理类，contains、remove、clear方法都是调用的HashMap的方法。
values()
1 public Collection<V> values() { 2 Collection<V> vs = values; 3 return (vs != null ? vs : (values = new Values())); 4 } 5 6 private final class Values extends AbstractCollection<V> { 7 public Iterator<V> iterator() { 8 return newValueIterator(); 9 }10 public int size() {11 return size;12 }13 public boolean contains(Object o) {14 return containsValue(o);15 }16 public void clear() {17 HashMap.this.clear();18 }19 }
values()方法也一样是代理。只是Values类继承自AbstractCollention类，而不是AbstractSet。
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1. HashMap概述：
HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现（Hashtable跟HashMap很像，唯一的区别是Hashtalbe中的方法是线程安全的，也就是同步的）。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。
2. HashMap的数据结构：
在java编程语言中，最基本的结构就是两种，一个是数组，另外一个是模拟指针（引用），所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的，HashMap也不例外。HashMap实际上是一个“链表的数组”的数据结构，每个元素存放链表头结点的数组，即数组和链表的结合体。
从上图中可以看出，HashMap底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候，就会初始化一个数组。源码如下：
/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */transient Entry[] table;static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final K key; V value; Entry<K,V> next; final int hash; ……}
可以看出，Entry就是数组中的元素，每个 Map.Entry 其实就是一个key-value对，它持有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。
3. HashMap的存取实现：
1) 存储：
public V put(K key, V value) { // HashMap允许存放null键和null值。 // 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。 if (key == null) return putForNullKey(value); // 根据key的hashCode重新计算hash值。 int hash = hash(key.hashCode()); // 搜索指定hash值所对应table中的索引。 int i = indexFor(hash, table.length); // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。 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; } } // 如果i索引处的Entry为null，表明此处还没有Entry。 // modCount记录HashMap中修改结构的次数 modCount++; // 将key、value添加到i索引处。 addEntry(hash, key, value, i); return null;}
从上面的源代码中可以看出：当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hashCode重新计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。
addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的hash值，将key-value对放在数组table的 i 索引处。addEntry 是HashMap 提供的一个包访问权限的方法（就是没有public，protected，private这三个访问权限修饰词修饰，为默认的访问权限，用default表示，但在代码中没有这个default），代码如下：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限 if (size++ >= threshold) // 把 table 对象的长度扩充到原来的2倍。 resize(2 * table.length);}
当系统决定存储HashMap中的key-value对时，完全没有考虑Entry中的value，仅仅只是根据key来计算并决定每个Entry的存储位置。我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可。
hash(int h)方法根据key的hashCode重新计算一次散列。此算法加入了高位计算，防止低位不变，高位变化时，造成的hash冲突。
static int hash(int h) { h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);}
我们可以看到在HashMap中要找到某个元素，需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过HashMap的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个HashMap里面的 元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用hash算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。
对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 hash 码值总是相同的。我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，在HashMap中是这样做的：调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：
static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1);}
这个方法非常巧妙，它通过 h & (table.length -1) 来得到该对象的保存位，而HashMap底层数组的长度总是 2 的n 次方，这是HashMap在速度上的优化。在 HashMap 构造器中有如下代码：
int capacity = 1; while (capacity < initialCapacity) capacity <<= 1;
这段代码保证初始化时HashMap的容量总是2的n次方，即底层数组的长度总是为2的n次方。
当length总是 2 的n次方时，h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
这看上去很简单，其实比较有玄机的，我们举个例子来说明：
假设数组长度分别为15和16，优化后的hash码分别为8和9，那么&运算后的结果如下：
h & (table.length-1) hash table.length-1
8 & (15-1)： 0100 & 1110 = 0100
9 & (15-1)： 0101 & 1110 = 0100
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
8 & (16-1)： 0100 & 1111 = 0100
9 & (16-1)： 0101 & 1111 = 0101
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
从上面的例子中可以看出：当8、9两个数和(15-1)2=(1110)进行“与运算&”的时候，产生了相同的结果，都为0100，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，8和9会被放到数组中的同一个位置上形成链表，那么查询的时候就需要遍历这个链 表，得到8或者9，这样就降低了查询的效率。同时，我们也可以发现，当数组长度为15的时候，hash值会与(15-1)2=(1110)进行“与运算&”，那么最后一位永远是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！
而当数组长度为16时，即为2的n次方时，2n-1得到的二进制数的每个位上的值都为1（比如(24-1)2=1111），这使得在低位上&时，得到的和原hash的低位相同，加之hash(int h)方法对key的hashCode的进一步优化，加入了高位计算，就使得只有相同的hash值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。
所以说，当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key算得得index相同的几率较小，那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰撞的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率也就较高了。
根据上面 put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时，程序首先根据该 key的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有Entry 的 value，但key不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。
2) 读取：
public V get(Object key) { if (key == null) return getForNullKey(); int hash = hash(key.hashCode()); for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) return e.value; } return null;}
有了上面存储时的hash算法作为基础，理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出：从HashMap中get元素时，首先计算key的hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。
3) 归纳起来简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry时，也会根据hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。
4. HashMap的resize（rehash）：
当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对HashMap的数组进行扩容，数组扩容这个操作也会出现在ArrayList中，这是一个常用的操作，而在HashMap数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是resize。
那么HashMap什么时候进行扩容呢？当HashMap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当HashMap中元素个数超过16*0.75=12（这个值就是代码中的threshold值，也叫做临界值）的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。
HashMap扩容的代码如下所示：
//HashMap数组扩容 void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; //如果当前的数组长度已经达到最大值，则不在进行调整 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } //根据传入参数的长度定义新的数组 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //按照新的规则，将旧数组中的元素转移到新数组中 transfer(newTable); table = newTable; //更新临界值 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); } //旧数组中元素往新数组中迁移 void transfer(Entry[] newTable) { //旧数组 Entry[] src = table; //新数组长度 int newCapacity = newTable.length; //遍历旧数组 for (int j = 0; j < src.length; j++) { Entry<K,V> e = src[j]; if (e != null) { src[j] = null; do { Entry<K,V> next = e.next; int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } } }
5.HashMap的性能参数：
HashMap 包含如下几个构造器：
- HashMap()：构建一个初始容量为 16，负载因子为 0.75 的 HashMap。
- HashMap(int initialCapacity)：构建一个初始容量为 initialCapacity，负载因子为 0.75 的 HashMap。
- HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。 initialCapacity：HashMap的最大容量，即为底层数组的长度。 loadFactor：负载因子loadFactor定义为：散列表的实际元素数目(n)/ 散列表的容量(m)。
负载因子衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪费。
HashMap的实现中，通过threshold字段来判断HashMap的最大容量：
threshold = (int)(capacity * loadFactor); 结合负载因子的定义公式可知，threshold就是在此loadFactor和capacity对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新resize，以降低实际的负载因子（也就是说虽然数组长度是capacity，但其扩容的临界值确是threshold）。默认的的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择。当容量超出此最大容量时， resize后的HashMap容量是容量的两倍：
if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length);
6.Fail-Fast机制：
我们知道java.util.HashMap不是线程安全的，因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map，那么将抛出ConcurrentModificationException，这就是所谓fail-fast策略。（这个在core java这本书中也有提到。）
这一策略在源码中的实现是通过modCount域，modCount顾名思义就是修改次数，对HashMap内容的修改都将增加这个值，那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的expectedModCount。
HashIterator() { expectedModCount = modCount; if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; }}
在迭代过程中，判断modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了Map：
注意到modCount声明为volatile，保证线程之间修改的可见性。
（volatile之所以线程安全是因为被volatile修饰的变量不保存缓存，直接在内存中修改，因此能够保证线程之间修改的可见性）。
final Entry<K,V> nextEntry() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException();
在HashMap的API中指出：
由所有HashMap类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的：在迭代器创建之后，如果从结构上对映射进行修改，除非通过迭代器本身的 remove 方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败，而不保证在将来不确定的时间发生任意不确定行为的风险。
注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。
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