在上篇博客中分析了hashmap的用法，详情查看java并发之hashmap
本篇博客重点分析下hashmap的源码（基于JDK1.8）
一、成员变量
HashMap有以下主要的成员变量
/** * The default initial capacity - MUST be a power of two. 默认初始容量 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 /** * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified * by either of the constructors with arguments. * MUST be a power of two <= 1<<30. 最大容量 */ static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /** * The load factor used when none specified in constructor. 默认的加载因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * The bin count threshold for using a tree rather than list for a * bin. Bins are converted to trees when adding an element to a * bin with at least this many nodes. The value must be greater * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in * tree removal about conversion back to plain bins upon * shrinkage. JDK1.8在哈希冲突后，使用链表的方式存储数据，当链表中元素个数超过8个，则转化为红黑树的格式 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal. 当红黑树的节点数少于6个，则转化为链表 */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; /** * The table, initialized on first use, and resized as * necessary. When allocated, length is always a power of two. * (We also tolerate length zero in some operations to allow * bootstrapping mechanics that are currently not needed.) 存储元素的数组 */ transient Node<K,V>[] table; /** * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used * for keySet() and values(). */ transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; /** * The number of key-value mappings contained in this map. key-value的个数 */ transient int size;
上面对HashMap中的主要成员变量做了注释，重点关注以下几个，
transient Node<K,V>[] table 这个成员变量是HashMap存储键值对的载体，Node类型的数组，可以联想到把键值对封装成了Node对象，然后使用数组存储一个一个的Node，体现了Java三大特性中的封装。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; HashMap的默认容量，即table数据组的默认长度，在构建table数组时使用。
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 HashMap的最大容量，即table数据的最大长度。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f 默认的加载因子，这个变量很重要，关系到HashMap扩容以及数组的饱和程度等
final float loadFactor 加载因子
int threshold 代表HashMap的阈值，=table数组的长度*loadFactor，当HashMap中键值对的数量大于threshold的时候便需要扩容，即把数据的长度扩大一倍
二、构造函数
HashMap提供了以下4个构造函数，
1、HashMap()
这个是默认的构造函数，其实现如下
public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }
从其实现来看，仅指定了默认的负载因子，其他的均为默认值，默认的负载因子为0.75，这个值是经过经验得出的，是空间和时间上的一个均衡。
2、HashMap(int initialCapacity)
这个可以指定HashMap的初始容量，但此容量并非要创建的Node类型的table的长度，HashMap使用了tableSizeFor(int cap)方法对其处理，此方法下面会说到。构造方法的实现如下，
public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); }
实现即调用了另一个构造方法
3、HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
这个构造方法可以指定两个参数，一个是初始容量，另一个是负载因子，前面说到容量*负载因子=阀值（threshold）,当键值对的数量（size）大于阀值时便要扩容。构造方法实现如下，
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); }
对给定的初始容量做了判断，最后通过tableSizeFor函数计算出的值给了threshold。
4、HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)
使用一个Map类型的变量构造HashMap，其实现如下
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); }
指定了负载因子，看起来负载因子很重要。
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { int s = m.size(); if (s > 0) { if (table == null) { // pre-size float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } else if (s > threshold) resize(); for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { K key = e.getKey(); V value = e.getValue(); putVal(hash(key), key, value, false, evict); } } }
从4个构造方法中，可以看出都并未初始话table变量，即存储数据的数组，那么table变量在什么时候初始化那，是在put方法中。为什么要放在put方法中，那是因为如果我就调用了构造方法，然后初始化了table数组，分配了内存，然而我不向HashMap中放数据，即不调用put方法，那么肯定会造成内存的浪费，所以只有在真正调用put的时候才初始化table，考虑周全呀。
二、工具函数
这里重点分析两个工具函数，hash和tableSizeFor。
1、hash(Object key)
此函数的作用是传递一个key参数，返回一个int数值，
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
如果key为null，则返回0，否则，取key的hashCode值h和h无符号右移16位的异或值。为什么要这样做我们放在后边分析。这个函数决定了每个键值对在table数组中的位置。
2、tableForInt(int cap)
此函数是为了计算大于或等于给定参数的最小的2的N次方。
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; }
举个例子，现在给一个数19，调用此函数后返回32；给一个数16，调用此函数后返回16，给一个数15，调用此函数后返回16。
三、put/get操作
put和get操作是HashMap中常用的操作，使用频率很高，了解其实现对编写代码很有提升。
1、put(K key, V value)
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); }
从上面的代码中可以看出调用了putVal方法，使用hash函数对key进行了哈希。putVal的定义如下，
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HashMap底层的数组table为空，或者其长度位0 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length;//调用扩容方法进行扩容，并返回扩容后的长度 //如果要存储的key在table中的索引处元素p为null，则说明此key所在索引处未产生hash冲突 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //生成一个Node节点，放在此key的索引处 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else {//如果此key所在的索引处的元素p不为null，说明已经有其他的key的hash值和现在key的hash相同，产生了hash冲突，两个元素在table中的索引一致 Node<K,V> e; K k; //如果要插入的key value和p的全部相同，把p赋给e if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //如果不相等，判断p的节点类型，如果是TreeNode类型，则证明是红黑树的结构，调用putTreeVal进行元素插入 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else {//如果不是TreeNode类型，则说明是链表的结构，使用链表的方式插入，找到链表的尾部，进行插入 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { //在p后插入元素 p.next = newNode(hash, key, value, null); //判断链表的元素数量，如果大于8，则调用treeifyBin方法转化为红黑树 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; } } //e不为null，说明存在一个相同的key，则需要进行value的替换，并返回旧值 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //如果插入元素后，元素个数大于threshold（阀值=数组容量*负载因子），进行扩容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
在上面的代码中做了详细的注释，下面把过程概括如下
1、判断HashMap底层存储数据的数组table是否为null或者长度为0（这里在进行table的初始化），如果是则进行扩容（第一次叫初始化）；
2、如果不是，取出要插入key在数组中索引位置的元素p，判断p是否为null，如果为null，则直接插入；
3、如果p不为null，判断判断p和待插入数据是否相等，如果相等使用e存储p（后面会判断e是否null，如果不为null，则进行值的替换）；
4、如果不等，判断p的类型是否为TreeNode，即是否为红黑树的结构，如果是则使用红黑树的方式插入；
5、如果不是TreeNode，则使用链表的方式插入；
6、插入完成后更新元素的个数size，如果size大于threshold进行扩容；
上面是put的大体过程，对于红黑树的插入，暂不做分析，下面分析下扩容函数resize，其源码如下
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; //1、创建一个新的Node数组，保存数据 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; //2、如果旧数组不为空，则要把元素拷贝到新数组 if (oldTab != null) { //循环旧数组中的元素 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; //j索引处不为null，取出给e if ((e = oldTab[j]) != null) { //清空j处的元素 oldTab[j] = null; //2.1、判断e是否有后继，如果没有说明仅有一个Node元素，重新计算e中key的hash值，得到在新数组中的索引，进行插入 if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //2.2.1判断e是否为TreeNode类型，如果是使用红黑树的方式 else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); //2.2.2不是红黑树的数据结构，为链表结构，进行链表结构的数据拷贝 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; }
在上面源码中进行了详细注释，具体步骤可查看注释。
2、get(Object key)
get函数是使用key取出其对于的value的过程，其源码如下
public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; }
使用getNode函数取出Node元素，如果Node为null，则返回null，如果不为则返回其value属性值，关于Node类的构成稍后分析，先看getNode函数，
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; //1、判断table不为null且长度大于0，且要取的key处索引位置元素不为null if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { //2、如果第一个元素和给定的key相等则直接返回第一个元素first if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { //3.1、如果第一个元素的类型为TreeNode，使用红黑树的方式取得Node if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); //3.2、使用链表的方式取得Node do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
在上面的代码中进行了详细注释，可参考。
下面看下Node的结构，
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; V value; Node<K,V> next; Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next; }
Node作为HashMap的静态内部类，其属性有hash、key、value、next，使用这些属性存储数据，其中key value即为我们说的hashMap中的键值对，这里使用Node进行封装。next指向下个Node的地址。
以上对HashMap做了主要分析，后面计划对其哈希hash函数即红黑树做分析。
有不正之处，欢迎指正！