HashMap是Java程序員使用頻率最高的用于映射(鍵值對)處理的數據類型。

Java為數據結構中的映射定義了一個接口java.util.Map，此接口主要有四個常用的實現類，分別是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap（還有ConcurrentHashMap），類繼承關系如下圖所示：

HashMap最多只允許一條記錄的鍵為null，允許多條記錄的值為null。

LinkedHashMap是HashMap的一個子類，保存了記錄的插入順序，在用Iterator遍歷LinkedHashMap時，先得到的記錄肯定是先插入的，也可以在構造時帶參數，按照訪問次序排序。

TreeMap實現SortedMap接口，能夠把它保存的記錄根據鍵排序，默認是按鍵值的升序排序，也可以指定排序的比較器，當用Iterator遍歷TreeMap時，得到的記錄是排過序的。如果使用排序的映射，建議使用TreeMap。在使用TreeMap時，key必須實現Comparable接口或者在構造TreeMap傳入自定義的Comparator，否則會在運行時拋出java.lang.ClassCastException類型的異常。

Hashtable是遺留類，很多映射的常用功能與HashMap類似，不同的是它承自Dictionary類，并且是線程安全的，任一時間只有一個線程能寫Hashtable

從結構實現來講，HashMap是:數組+鏈表+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現的，如下如所示。

HashMap數據底層具體存儲的是什么？這樣的存儲方式有什么優點呢？

從源碼可知，HashMap類中有一個非常重要的字段，就是Node[]table，即哈希桶數組。

Node是HashMap的一個內部類，實現了Map.Entry接口，本質是就是一個映射(鍵值對)，除了K，V，還包含hash和next。

HashMap就是使用哈希表來存儲的。哈希表為解決沖突，采用鏈地址法來解決問題，鏈地址法，簡單來說，就是數組加鏈表的結合。在每個數組元素上都一個鏈表結構，當數據被Hash后，得到數組下標，把數據放在對應下標元素的鏈表上。

如果哈希桶數組很大，即使較差的Hash算法也會比較分散，如果哈希桶數組數組很小，即使好的Hash算法也會出現較多碰撞，所以就需要在空間成本和時間成本之間權衡，其實就是在根據實際情況確定哈希桶數組的大小，并在此基礎上設計好的hash算法減少Hash碰撞。那么通過什么方式來控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶數組（Node[]table）占用空間又少呢？答案就是好的Hash算法和擴容機制。

在理解Hash和擴容流程之前，我們得先了解下HashMap的幾個字段。從HashMap的默認構造函數源碼可知，構造函數就是對下面幾個字段進行初始化，源碼如下：

int threshold; // 所能容納的key-value對極限,超過這個數目就重新resize(擴容)
final float loadFactor; // 負載因子,默認的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇，建議大家不要修改
int modCount; //記錄HashMap內部結構發生變化的次數
int size;　　//實際存在的鍵值對數量

在HashMap中，哈希桶數組table的長度length大小必須為2的n次方.

這里存在一個問題，即使負載因子和Hash算法設計的再合理，也免不了會出現拉鏈過長的情況，一旦出現拉鏈過長，則會嚴重影響HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，對數據結構做了進一步的優化，引入了紅黑樹。而當鏈表長度太長（默認超過8）時，鏈表就轉換為紅黑樹，利用紅黑樹快速增刪改查的特點提高HashMap的性能，其中會用到紅黑樹的插入、刪除、查找等算法。

HashMap的內部功能實現很多，本文主要從：

1.根據key獲取哈希桶數組索引位置

2.put方法的詳細執行

3.擴容過程三個具有代表性的點深入展開講解。

確定哈希桶數組索引位置

不管增加、刪除、查找鍵值對，定位到哈希桶數組的位置都是很關鍵的第一步。前面說過HashMap的數據結構是數組和鏈表的結合，所以我們當然希望這個HashMap里面的元素位置盡量分布均勻些，盡量使得每個位置上的元素數量只有一個，那么當我們用hash算法求得這個位置的時候，馬上就可以知道對應位置的元素就是我們要的，不用遍歷鏈表，大大優化了查詢的效率。

HashMap的Hash算法本質上就是三步：取key的hashCode值、高位運算、取模運算。

分析HashMap的put方法

擴容機制

擴容(resize)就是重新計算容量，向HashMap對象里不停的添加元素，而HashMap對象內部的數組無法裝載更多的元素時，對象就需要擴大數組的長度，以便能裝入更多的元素。

這里就是使用一個容量更大的數組來代替已有的容量小的數組，transfer()方法將原有Entry數組的元素拷貝到新的Entry數組里。

HashMap中，如果key經過hash算法得出的數組索引位置全部不相同，即Hash算法非常好，那樣的話，getKey方法的時間復雜度就是O(1)，如果Hash算法技術的結果碰撞非常多，假如Hash算極其差，所有的Hash算法結果得出的索引位置一樣，那樣所有的鍵值對都集中到一個桶中，或者在一個鏈表中，或者在一個紅黑樹中，時間復雜度分別為O(n)和O(lgn)。

小結

1.擴容是一個特別耗性能的操作，所以當程序員在使用HashMap的時候，估算map的大小，初始化的時候給一個大致的數值，避免map進行頻繁的擴容。

2.負載因子是可以修改的，也可以大于1，但是建議不要輕易修改，除非情況非常特殊。

3.HashMap是線程不安全的，不要在并發的環境中同時操作HashMap，建議使用ConcurrentHashMap。

4.JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的性能。

以上就是動力節點小編介紹的"HashMap的底層結構和原理"，希望對大家有幫助，想了解更多可查看HashMap底層實現原理。動力節點在線學習教程，針對沒有任何Java基礎的讀者學習,讓你從入門到精通,主要介紹了一些Java基礎的核心知識，讓同學們更好更方便的學習和了解Java編程，感興趣的同學可以關注一下。