0. 前言
HashMap 是面試中面試官常問的問題之一，幾乎所有的程序員都用它，因爲HashMap考察的深度很深，既可以考到其底層實現，又可以問及eqauls和hashcode的知識點等，所以很有必要對這個問題進行深度剖析。
1. 什麼是HashMap？
Map用於保存具有key-value映射關係的數據
從上圖可以看出，HashMap是基於哈希表的 Map 接口的實現。HashMap是基於哈希表實現的，每一個元素是一個key-value對，其內部通過單鏈表解決衝突問題，容量不足（超過了閥值）時，同樣會自動增長。
1.1 你爲什麼用到它？
用到的原因有很多，就我個人而言有以下幾個原因：
- HashMap可以接受null鍵值和值，而HashTable則不能
- HashMap是非synchronized
- HashMap很快
- 以及HashMap儲存的是鍵值對
2.HashMap的工作原理是什麼？
HashMap是基於hashing的原理，我們使用put(key, value)存儲對象到HashMap中，使用get(key)從HashMap中獲取對象。當我們給put()方法傳遞鍵和值時，先對Key調用hashCode方法，來計算hash值，返回的hash值用來找bucket對象，來放entry鍵值對。
Hashmap工作原理示意圖
下面我們來主要介紹下HashMap中最主要的兩個方法：get(key)和put(key, value)。
get(key)方法：
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* Implements Map.get and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @return the node, or null if none
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
//該hash值所在的元素是保存在table[(tab.length-1)&hash]這個位置，所以需要確保在該位置上有Node
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//判斷是否保存在該鏈表的第一個位置
if (first.hash == hash &&
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
首先，如果key爲null，則直接從哈希表的第一個位置table[0]對應的鏈表上查找。記住，key爲null的鍵值對永遠都放在以table[0]爲頭結點的鏈表中，當然不一定是存放在頭結點table[0]中。如果key不爲null，則先求的key的hash值，根據hash值找到在table中的索引，在該索引對應的單鏈表中查找是否有鍵值對的key與目標key相等，有就返回對應的value，沒有則返回null。
put(key, value)方法：
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
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;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
如果key爲null，則將其添加到table[0]對應的鏈表中，如果key不爲null，則同樣先求出key的hash值，根據hash值得出在table中的索引，而後遍歷對應的單鏈表，如果單鏈表中存在與目標key相等的鍵值對，則將新的value覆蓋舊的value，且將舊的value返回，如果找不到與目標key相等的鍵值對，或者該單鏈表爲空，則將該鍵值對插入到單鏈表的頭結點位置（每次新插入的節點都是放在頭結點的位置）
2.1 當兩個對象的hashcode相同會發生什麼？
HashMap底層是由數組以及鍵值對組成的，它之所以有相當快的查詢速度主要是因爲它是通過計算散列碼來確定存儲位置的，HashMap中主要是通過key的hashCode來計算hash值的，只要hashCode相同，計算出來的hash值就一樣。如果存儲的對象對多了，就有可能不同的對象所算出來的hash值是相同的，這就出現了所謂的hash衝突，解決hash衝突的方法有很多，HashMap底層是通過鏈表來解決hash衝突的。
HashMap儲存數據示意圖
如上圖所示，哈希表是由數組+鏈表組成的，因爲hashcode相同，所以它們的bucket位置相同，‘碰撞’會發生。因爲HashMap使用LinkedList存儲對象，這個Entry會存儲在LinkedList中，這個存儲的位置一般情況是通過hash(key)%len獲得，也就是元素的key的哈希值對數組長度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存儲在數組下標爲12的位置。
2.2 如果兩個鍵的hashcode相同，你如何獲取值對象？
HashMap會使用鍵對象的hashcode找到bucket位置，找到bucket位置之後，會調用keys.equals()方法去找到LinkedList中正確的節點，最終找到要找的值對象。從HashMap中get元素時，首先計算key的hashCode，找到數組中對應位置的某一元素，然後通過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到需要的元素。
3. 負載因子(load factor)
3.1 如果HashMap的大小超過了負載因子(load factor)定義的容量，怎麼辦
默認的負載因子大小爲0.75，也就是說，當一個map填滿了75%的bucket時候，和其它集合類(如ArrayList等)一樣，將會創建原來HashMap大小的兩倍的bucket數組，來重新調整map的大小，並將原來的對象放入新的bucket數組中。這個過程叫作rehashing，因爲它調用hash方法找到新的bucket位置。
3.2 重新調整HashMap大小存在什麼問題?
當重新調整HashMap大小的時候，確實存在條件競爭，因爲如果兩個線程都發現HashMap需要重新調整大小了，它們會同時試着調整大小。在調整大小的過程中，存儲在LinkedList中的元素的次序會反過來，因爲移動到新的bucket位置的時候，HashMap並不會將元素放在LinkedList的尾部，而是放在頭部，這是爲了避免尾部遍歷(tail traversing)。如果條件競爭發生了，那麼就死循環了。
4. Key的選擇
4.1爲什麼String, Interger這樣的wrapper類適合作爲鍵？
String, Interger這樣的wrapper類作爲HashMap的鍵是再適合不過了，而且String最爲常用。因爲String是不可變的，也是final的，而且已經重寫了equals()和hashCode()方法了。其他的wrapper類也有這個特點。不可變性是必要的，因爲爲了要計算hashCode()，就要防止鍵值改變，如果鍵值在放入時和獲取時返回不同的hashcode的話，那麼就不能從HashMap中找到你想要的對象。不可變性還有其他的優點如線程安全。如果你可以僅僅通過將某個field聲明成final就能保證hashCode是不變的，那麼請這麼做吧。因爲獲取對象的時候要用到equals()和hashCode()方法，那麼鍵對象正確的重寫這兩個方法是非常重要的。如果兩個不相等的對象返回不同的hashcode的話，那麼碰撞的機率就會小些，這樣就能提高HashMap的性能。
參考文檔
HashMap的工作原理
深入Java集合學習系列：HashMap的實現原理
Java集合專題總結（1）：HashMap 和 HashTable 源碼學習和麪試總結