简介
HashMap 是一种Java中常用的数据结构，采用数组+链表+红黑树的方式存储键值对数据，通过哈希函数散列映射方式，使得HashMap的查询数据的数据比较快。
HashMap结构如下图所示：
一、主要的成员变量
// 当前存储数据容量
transient int size;
// 当size 大于threshold时，将触发扩容操作
int threshold;
// 加载因子
final float loadFactor;
// 修改数据次数
transient int modCount;
// 默认初始容量 16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//当链表长度大于该值时，链表转为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 当红黑树节点数小于该值时，转为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//存储数据的数组
transient Node<K,V>[] table;
当HashMap的容量大于threshold的值时，将进行扩容；
默认情况下，HashMap容量为16，加载因子为0.75，即当HashMap中的数据量达到 16 X 0.75 = 12 时，将触发扩容操作。
实际存储键值对的是Node内部类：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
二、初始化
HashMap有四个构造函数：
// 不带参构造函数，加载因子为默认的0.75
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
// 指定初始容量，加载因子为默认的0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 另一个map对象，初始化后，将存放该map对象的引用
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
// 指定初始容量和加载因子
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);
}
在第四个构造函数中，指定了初始容量和加载因子，下一次需要扩容的容量 threshold 值由 tableSizeFor方法得出：
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;
}
这个方法是得出大于等于cap值的最大的2的幂值。举个例子，假如cap是17，那么返回的n值是32。
而后续HashMap需要扩容时，每次table数组长度都扩展为原来的两倍，所以，table数组长度总是为2的幂值。
至于为什么是这样设计，因为这样可以最大程度上避免空间浪费，并且兼顾了效率问题。
HashMap在确定数据在数组中的下标时，使用了Hash函数，其中，数组下标为 (n – 1) & hash， n是table长度，hash是key的hash值通过hash函数后的值。进行与操作后，可以确定该数据存放在数组中的位置。
至于为什么用与操作，应该是与操作性能较好，相对模操作来说性能更好。
当n是2的幂值时，n-1 转换为二进制时，低位一定全部是1，高位是0，比如 n等于16时，那么 n-1 = 15 的二进制为 000…01111，后四位全是1，这样，在和hash 做与操作时，最后四位值将是hash值的最后四位，这样，就有机会使得数组中的所有位置都有可能被使用。
而如果假设n不为2的幂值时，如15，那么14的二进制 000…01110，与操作后，最后一位必然是0，那么 0001、0011等几个位置将永远不可被匹配到，空间利用率很低。
所以，在使用指定初始容量的构造函数时，需要注意初始容量值并不一定是你的实际数据量那个值。假设你要用HashMap存放100个数，如果用new HashMap(100)，那么tableSizeFor后的值会是128，这样，默认的加载因子是0.75，即 128 X 0.75 = 96，当HashMap中的数据达到96时，将会再次扩容，而扩容操作影响了性能，所以初始容量应该设置为128比较合理。
初始化时并没有初始化数组，在第一次put时，才会进行初始化数组操作。
三、存入数据
put方法调用了内部的putVal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;
//如果一开始table是空的，调用resize方法扩容空间
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// i算出元素在数组中的下标，p 是数组该位置的元素
// 如果数组中该位置为空，直接存放
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else { //如果存在数据
Node<K,V> e; K k;
// 如果key相同，直接用新value值替换原来value，e = p
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 否则如果是红黑树情况下，插入或替换到红黑树中
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 否则是链表情况
else {
// 遍历链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 如果到达链表尾部
if ((e = p.next) == null) {
// 将新数据加入链表尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果链表长度大于TREEIFY_THRESHOLD ，将链表转换为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key相同情况
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// e 不为空时，表示存在key，用新value值替换即可
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;//修改次数+1
// 如果当前容量大于threshold，触发resize 扩容操作
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
总的来说，put操作就是得出key的hash值对应的数组位置，如果该位置没有元素，直接放入该位置即可，否则，如果key相同，覆盖value值；如果是红黑树，插入红黑树中；如果是链表，插入链表尾部，如果此时链表长度大于8，链表转为红黑树；
如果HashMap中的元素数量大于 原数组长度 X 加载因子，则调用resize方法扩容。
三、扩容
扩容方法在resize方法中完成：
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;// 旧容量
int oldThr = threshold; // 旧的需要扩容的阈值
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) { //如果不是第一次扩容
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;// 如果容量大于最大值，将阈值设为最大值，这样不会发生下次扩容
return oldTab;
}
// 扩容容量为上一次容量的两倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // 下次扩容阈值等于本次扩容阈值*2，因为扩容会扩为原来容量的两倍，所以依然满足 newThr = newCap * loadFactor
}
else if (oldThr > 0) // 第一次扩容，并且用户指定了初始容量
newCap = oldThr; // 扩展的容量为阈值
else { // 第一次扩容，并且初始容量和加载因子使用的默认值
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) { // 如果用户指定了初始容量时，并且是第一次扩容
float ft = (float)newCap * loadFactor;
// 下次扩容阈值为 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];// 新的数组
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//将旧数组数据移动到新数组
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)// 如果还不是链表或红黑树，把数据直接移动到新数组中对应位置
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode) //红黑树时的移动数据
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // 链表时移动数据
// 原来的key的hash值对应的数组位置可能会发生变化
// 因为在做与操作时，现有的数组长度多了两倍，也就是多了一位的与计算
// 所以，链表或红黑树中的元素可能在原来位置，或者在原来位置 + 原来数组长度 的位置
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;//原来位置的链表，低位
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;//需要移动到新位置的链表，高位
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 这里是和oldCap相与，oldCap最高位是1，其他位是0
// 所以，如果与后为0，表示 和 newCap-1 与后还是原来的位置，不需要移动
// 如果为1，则该key 和 newCap-1与 等于 j + oldCap
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);
// 对应位置设置链表元素
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
总的来说，扩容就是创建一个新的数组，数组长度为原来的两倍，并将下一次需要扩容的阈值设置为新数组乘以加载因子的大小。然后将原来数组中的数据移动到新数组中。如果数组中的元素不是链表和红黑树，那么直接移动到原来旧数组中下标的位置。否则如果是链表或红黑树，那么其中的数据可能会在原来的位置，或者在原来的位置+原来数组长度的位置，此时将原来的链表或红黑树分为两个链表或红黑树，再把数据移动到相应位置。
本文是本人的学习备忘和知识积累，不足或理解错误之处请包涵和指正