HashMap是Java裡基本的存儲Key、Value的一個數據類型，了解它的內部實現，可以幫我們編寫出更高效的Java代碼。
本文主要分析JDK1.7中HashMap實現，JDK1.8中的HashMap已經和這個不一樣了，後面會再總結。
HashMap根據鍵的hashCode值獲取存儲位置，大多數情況下可以直接定位到它的值，因而具有很快的訪問速度，但遍歷順序卻是不確定的。 HashMap最多只允許一條記錄的鍵為null，允許多條記錄的值為null。HashMap非線程安全，即任一時刻可以有多個線程同時寫HashMap，可能會導致數據的不一致。如果需要滿足線程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有線程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。
HashMap的存儲結構如下圖所示：
HashMap根據鍵的hashCode值和HashMap裡數組的大小取余，余數即為該Key存儲的數組位置。
如：一個Key的hashCode為15，HashMap的Size為6，15 % 6 = 3，所以該Key存儲在數組的第三個位置。
考慮另一種情況，如果一個Key的hashCode為21，那21 % 6 = 3，所以該Key也存儲在數組的第三個位置，這樣豈不是重復了？
所以對於在同一個位置的Key，HashMap把他們存儲在一個單向鏈表裡，新的Key永遠在最前面。
如果這個數組裡存儲的太滿，HashMap還有擴容機制。
下面我們分析HashMap的源代碼，來看看數據是怎麼存儲的。
public V put(K key, V value) {
//判斷如果table為空，則初始化table
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//計算key的hash值
int hash = hash(key);
//根據key的hash值和table.length計算KEY的位置
int i = indexFor(hash, table.length);
//判斷是否有重復的值，若有，則用新值替換舊值，並返回舊值
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;
}
}
//修改的次數加一，用於迭代HashMap時，判斷HashMap元素有沒有修改
modCount++;
//添加key
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
private void inflateTable(int toSize) {
//根據toSize計算容量，即大於toSize的最小的2的n次方
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
………
}
private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
// assert number >= 0 : "number must be non-negative";
return number >= MAXIMUM_CAPACITY
? MAXIMUM_CAPACITY
: (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
}
public static int highestOneBit(int i) {
// HD, Figure 3-1
i |= (i >> 1);
i |= (i >> 2);
i |= (i >> 4);
i |= (i >> 8);
i |= (i >> 16);
return i - (i >>> 1);
}
關鍵方法Integer.highestOneBit((number - 1) << 1)，這個方法的結果就是求出大於給定數值的，最小的2的N次方。
解釋之前先說明幾個概念：
<< : 按二進制形式把所有的數字向左移動對應的位數，高位移出(捨棄)，低位的空位補零。在數字沒有溢出的前提下，對於正數和負數，左移一位都相當於乘以2的1次方，左移n位就相當於乘以2的n次方；
>>: 按二進制形式把所有的數字向右移動對應位移位數，低位移出(捨棄)，高位的空位補符號位，即正數補零，負數補1。右移一位相當於除2，右移n位相當於除以2的n次方。
>>>: 無符號右移，忽略符號位，空位都以0補齊
我們拿數字10做示例，經過(number - 1) << 1 = 18,二進制表示為：10010
i |= (i >> 1) 即：10010 | 01001 = 11011
i |= (i >> 2) 即：11011 | 00110 = 11111
i |= (i >> 4) 即：11111 | 00001 = 11111
……
其實這幾步就是把i的最高位1之後的所有位都變成1
然後 i – (i >>> 1) 即：11111-01111=10000(16)
這步是把最高位，之後的都變成0，這樣就求出了最接近10的2的N次方（16）
至於為什麼要不數組的Size設置為2的N次方，我們後面說。
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
根據上面的注釋，我們可以看出，HashMap中使用的hash值，不是Key直接的hashCode，而是經過一系列計算的。
計算hash值的作用就是避免hash碰撞，盡量減少單向鏈表的產生，因為鏈表中查找一個元素需要遍歷。
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}
第一次看到這個方法很是不理解，不是應該用 h % length嗎？其實這裡用了一個非常巧妙的方法來取這個余數。
在計算機中CPU做除法運算、取余運算耗費的CPU周期都比較長，一般幾十個CPU周期，而位移運算、位運算只用一個CPU周期。
這樣對於性能要求高的地方，就可以用位運算代替普通的除法、取余等運算，JDK源碼中有很多這樣的例子。
為了能夠使用位運算求出這個余數，length必須是2的N次方，這也是我們上面初始化數組大小時要求的，然後使用 h & (length-1)，就可以求出余數。具體的算法推導，請自行搜索。
我們用個例子來說明下，如一個Key經過運算的hash為21，length為16：
直接取余運算：21 % 16 = 5
位運算：10101(21) & 01111(16-1) = 00101(5)
哇，這就是計算機運算的魅力，這就是算法的作用。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//如果size大於等於threshold，且數組的這個位置不為null，則擴容數組
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
threshold：HashMap實際可以存儲的Key的個數，如果size大於threshold，說明HashMap已經太飽和了，非常容易發生hash碰撞，導致單向鏈表的產生。
在inflateTable方法中，我們可以看到
01threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
所以這個值是由HashMap的capacity 和負載因子（loadFactor默認：0.75）計算出來的。
loadFactor越小，相同的capacity就更頻繁地擴容，這樣的好處是HashMap會很大，產生hash碰撞的幾率就更小，但需要的內存也更多，這就是所謂的空間換時間。
在這裡也注意，擴容時會直接將原來容量乘以2，滿足了length為2的N次方的條件。
createEntry就不多說了，就是將key、value保存到數組響應的位置。
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//用和添加時相同的算法求出hash值
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
//直接從數組的響應位置拿到數據，判斷hash相同、key相同，則返回
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 != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
獲取時非常簡單，也非常迅速，添加時做的所有工作都是為快速獲取做的工作。
HashMap是一個非常高效的Key、Value數據結構，GET的時間復雜度為：O(1) ~ O(n)，我們在使用HashMap時需要注意以下幾點：
1. 聲明HashMap時最好使用帶initialCapacity的構造函數，傳入數據的最大size，可以避免內部數組resize；
2. 性能要求高的地方，可以將loadFactor設置的小於默認值0.75，使hash值更分散，用空間換取時間；