HashMap是Java中广泛使用的数据结构之一，它提供了高效的键值对存储和检索功能。本文将深入探讨HashMap的底层原理，包括它的数据结构、哈希算法、碰撞解决方法以及工作原理。
数据结构
HashMap的底层数据结构是数组和链表（或红黑树）。数组用于存储元素的桶（bucket），每个桶是一个链表或红黑树的头节点。当出现大量元素存储在同一个桶内时，链表将转换为红黑树，以提高检索效率。
哈希算法
HashMap使用哈希算法将键映射到数组索引位置。哈希算法的关键是hashCode()方法。当调用hashCode()方法时，HashMap会根据键的特性生成一个哈希码。哈希码是一个整数，它代表了键在数组中的位置。
碰撞解决方法
在哈希算法中，不同的键可能会生成相同的哈希码，这就是所谓的碰撞（collision）。HashMap使用链表和红黑树来解决碰撞问题。
当元素被插入到HashMap中时，首先根据键的哈希码计算出数组索引。如果该索引位置为空，则直接将元素插入其中。如果该索引位置已经存在元素，则遍历链表或红黑树，判断键是否已经存在。如果键已存在，则更新对应的值；如果键不存在，则将新元素添加到链表或红黑树的末尾或合适位置。
当链表的长度超过8个节点，并且数组的长度大于64时，链表将被转换为红黑树。这是为了提高在大量元素存储在同一个桶内时的查找效率。
源码
// 遍历链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 遍历到链表最后一个节点
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果链表元素个数大于等于TREEIFY_THRESHOLD（8）
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
// 红黑树转换（并不会直接转换成红黑树）
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
工作原理
当使用HashMap进行插入、获取或删除操作时，它会执行以下步骤：
- 根据键的
hashCode()方法计算哈希码。 - 根据哈希码找到数组索引位置。
- 如果该索引位置为空，直接插入元素。
- 如果该索引位置不为空，检查键是否已存在，如果存在则更新值，否则将元素插入链表或红黑树。
- 如果链表长度过长，并且数组长度足够大，将链表转换为红黑树。
- 根据需要调整数组的大小（扩容或收缩）以保持较低的负载因子。
总结
HashMap是一种高效的键值对存储和检索数据结构。它的底层原理基于数组、链表和红黑树，使用哈希算法将键映射到数组索引位置。碰撞问题通过链表和红黑树的使用得以解决。了解HashMap的底层原理对于理解其运作方式、优化性能以及避免潜在的问题非常重要。通过合理选择哈希函数和调整负载因子，我们可以确保HashMap在各种场景下都能够提供高效的数据存储和检索能力。
