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HashMap 底层原理详解

news 2025/7/5 12:50:48

1. 核心数据结构

JDK 1.7 及之前：数组 + 链表
JDK 1.8 及之后：数组 + 链表/红黑树（链表长度 ≥8 时转红黑树，≤6 时退化为链表）

// JDK 1.8 的 Node 定义（链表节点）
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next; // 链表指针
}

// TreeNode 定义（红黑树节点）
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // 父节点
    TreeNode<K,V> left;    // 左子树
    TreeNode<K,V> right;   // 右子树
    TreeNode<K,V> prev;    // 前驱节点
    boolean red;           // 颜色标识
}

2. 哈希函数设计

作用：将 Key 映射到数组索引，尽可能减少哈希冲突。
JDK 1.8 的优化：

static final int hash(Object key) {
    int h;
    // 高16位与低16位异或，提升散列性
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

索引计算：
index = (table.length - 1) & hash

长度取模优化：哈希表容量为 2 的幂次时，(n-1) & hash 等效于 hash % n，但位运算更快。

3. put() 方法流程

计算哈希值：调用 hash(key)。
初始化或扩容：若数组为空，调用 resize() 初始化（默认容量 16，负载因子 0.75）。
定位桶位置：index = (n-1) & hash。
处理哈希冲突：
- 链表插入：
  - JDK 1.7：头插法（易导致死循环）。
  - JDK 1.8：尾插法（解决死循环问题）。
- 树化处理：若链表长度 ≥8 且数组长度 ≥64，链表转红黑树。
覆盖或新增节点：
- Key 已存在：覆盖 Value，返回旧值。
- Key 不存在：插入新节点，返回 null。
扩容检查：若元素总数 > 阈值（容量 × 负载因子），触发 resize()。

4. 扩容机制（resize()）

触发条件：元素数量超过阈值（容量 × 负载因子，默认 0.75）。
扩容流程：

新容量计算：旧容量 × 2（保证容量始终为 2 的幂次）。
迁移元素：
- JDK 1.7：遍历旧数组，重新哈希每个元素到新数组（头插法）。
- JDK 1.8：优化迁移逻辑，链表元素拆分为高位链和低位链（无需重新哈希）：
  - 低位链：原索引位置。
  - 高位链：原索引位置 + 旧容量。

优化原理：
由于新容量是旧容量的 2 倍，(newCap - 1) & hash 的结果仅取决于哈希值的第 log2(oldCap) 位是否为 1：

若为 0 → 索引不变（低位链）。
若为 1 → 索引 = 原索引 + 旧容量（高位链）。

5. 红黑树优化

树化条件：

链表长度 ≥ TREEIFY_THRESHOLD（默认 8）。
数组长度 ≥ MIN_TREEIFY_CAPACITY（默认 64）。

退化条件：

红黑树节点数 ≤ UNTREEIFY_THRESHOLD（默认 6）。

优势：

链表查询复杂度 O(n)，红黑树查询复杂度 O(logn)，显著减少哈希冲突时的性能损耗。

6. 关键参数与默认值

参数	默认值	说明
`DEFAULT_INITIAL_CAPACITY`	16	默认初始容量
`DEFAULT_LOAD_FACTOR`	0.75	负载因子（扩容阈值 = 容量 × 负载因子）
`TREEIFY_THRESHOLD`	8	链表转红黑树的阈值
`UNTREEIFY_THRESHOLD`	6	红黑树退化为链表的阈值
`MIN_TREEIFY_CAPACITY`	64	允许树化的最小数组长度