Java HashMap 深度解析：底层原理、源码剖析与面试必备知识 ...

1. HashMap 概述

HashMap 是 Java 集合框架中最常用的数据布局之一，基于哈希表（Hash Table）实现。它以键值对（Key-Value）存储数据，允许 null 键和 null 值，且无序。
1.1 HashMap 的特性

• 基于哈希表（Hash Table）实现
  
• 允许 null 键和 null 值
  
• 非线程安全
  
• 默认初始容量 16，负载因子 0.75
  
• JDK 1.8 之后采用 数组 + 链表 + 红黑树 布局
  

1. Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
2. map.put("Java", 1);
3. map.put("Python", 2);
4. System.out.println(map.get("Java")); // 1

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2. HashMap 的底层数据布局

2.1 JDK 1.7 布局（数组 + 链表）

在 JDK 1.7 及之前，HashMap 采用 数组 + 链表 实现：

1. table[0]  →  (key1, value1) → (key2, value2) → (key3, value3) → null
2. table[1]  →  (key4, value4) → null
3. table[2]  →  (key5, value5) → null
4. ...

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2.2 JDK 1.8 布局（数组 + 链表 + 红黑树）

JDK 1.8 进行了优化：

• 当链表长度 高出 8，转换为 红黑树 以提高查询性能（O(n) → O(log n)）。
  
• 当链表长度 小于 6，恢复为 链表。
  

1. table[0]  →  (key1, value1) → (key2, value2) → 红黑树
2. table[1]  →  (key3, value3) → null
3. table[2]  →  (key4, value4) → null

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3. HashMap 核心源码解析

3.1 put(K key, V value) 方法

put() 方法用于向 HashMap 添加键值对，底层步骤如下：

• 计算哈希值：调用 hash(key) 方法，计算 key 在数组中的索引。
  
• 索引定位：确定该 key 对应的数组位置 table[index]。
  
• 查抄是否冲突：
  
  
  
  • 无冲突：直接插入（数组无元素）。
    
  • 有冲突（已有元素）：使用链表或红黑树存储。
    
  
  
• 扩容判定：如果元素数量高出 threshold（容量 * 负载因子），触发 resize() 扩容。
  

源码分析：

1. public V put(K key, V value) {
2.     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
3. }

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• hash(key) 计算键的哈希值。
  
• putVal() 负责存储键值对。
  

3.2 hash() 计算哈希值

1. static final int hash(Object key) {
2.     int h;
3.     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
4. }

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解释：

• key.hashCode() 获取哈希码。
  
• 右移 16 位后与自身异或（^），减少哈希冲突。
  

3.3 resize() 扩容机制

当 HashMap 的元素数量高出阈值（默认 0.75 * capacity），会进行扩容：

• 容量翻倍（newCapacity = oldCapacity * 2）。
  
• 重新计算索引位置，将所有元素重新映射到新数组。
  

源码：

1. void resize(int newCapacity) {
2.     Node<K,V>[] oldTable = table;
3.     int oldCapacity = oldTable.length;
4.     int newThreshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
5.     table = new Node[newCapacity];
6.     for (Node<K,V> e : oldTable) {
7.         if (e != null) {
8.             int newIndex = e.hash & (newCapacity - 1);
9.             table[newIndex] = e;
10.         }
11.     }
12. }

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4. JDK 1.7 vs JDK 1.8 的区别

版本布局主要优化JDK 1.7数组 + 链表头插法（导致死循环）JDK 1.8数组 + 链表 + 红黑树1. 采用 尾插法 避免死循环 2. 长链表转换为 红黑树5. HashMap 的并发问题

5.1 JDK 1.7 的并发问题

• 并发扩容导致死循环（线程同时 resize()）。
  
• 多线程同时插入数据，导致数据丢失。
  

5.2 线程安全的替换方案

• ConcurrentHashMap：推荐使用，线程安全，性能高。
  
• Collections.synchronizedMap(new HashMap())：使用同步包装类。
  

示例：

1. Map<String, String> syncMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());

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6. HashMap 面试高频问题

Q1：HashMap 为什么使用 hash & (length - 1) 而不是 hash % length？

A：& 运算比 % 更高效，length 为 2 的幂时，hash & (length - 1) 能包管均匀分布。
Q2：HashMap 什么时间扩容？

A：当元素个数 高出 capacity * loadFactor（默认 16 * 0.75 = 12）时。
Q3：为什么 JDK 1.8 使用尾插法？

A：

• 头插法在多线程环境下大概导致 死循环（链表形成环）。
  
• 尾插法能避免这个问题，提高稳固性。
  

Q4：为什么 JDK 1.8 使用红黑树？

A：

• 当链表长度高出 8 时，查找效率降为 O(n)。
  
• 红黑树 使查找变为 O(log n)，提高性能。
  

7. 总结

• HashMap 采用数组 + 链表 + 红黑树** 布局。
  
• JDK 1.7 使用头插法，JDK 1.8 使用尾插法，避免死循环。
  
• 默认负载因子 0.75，高出 capacity * 0.75 时扩容。
  
• 多线程环境下请使用 ConcurrentHashMap 取代 HashMap。
  

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