前幾篇部落格主要從原始碼角度分析了List集合的兩個重要的實現類ArrayList、LinkedList,今天我們先跳過Set集合，直接講解Map的主要實現類，因為Set集合的主要實現類HashSet、TreeSet底層主要用Map的實現類，所以我們先分析Map,然後回過頭來看Set就非常的簡單了。所有的Map集合JDK7和JDK8以後原始碼實現差別非常的大，我們主要以JDK8的原始碼分析。本篇文章主要講解HashMap,學習HashMap主要學習它的資料結構。因為HashMap內容較多，我們會用幾篇文章去介紹HashMap.

一、HashMap的底層資料結構

在JDK8以後，HashMap底層資料結構程式設計了陣列+連結串列+紅黑樹

。

通過獲得key的hash值可以獲取被插入的值在陣列的下標，如果key的hash衝突，那就會在這個下標形成連結串列，但是連結串列的時間複雜度為o(n),當衝突多時，連結串列很長，導致查詢效率下降，所以為了防止效率下降，如果連結串列的長度大於8時，連結串列就會變成紅黑樹，而紅黑樹的時間複雜度是o(logn)

二、HashMap的重要屬性

1）DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 預設的初始化大小

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

注意HashMap的容器一定是2的整數次冪，原因我們接下來會詳細闡述。

2)MAXIMUM_CAPACITY最大容器

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

3）DEFAULT_LOAD_FACTOR預設載入因子

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

4）loadFactor 載入因子

final float loadFactor;

這個屬性，剛接觸HashMap原始碼的同學搞不懂是幹什麼的，我們上面說過HashMap的底層是陣列，但是陣列的長度是不變的，所以達到某個臨界點時就需要擴容，而這個載入因子就是這個臨界點，例如一個HashMap的容器大小為16，如果HashMap中的元素超過12=16*0.75,時就需要對容器擴容了，所以載入因子與HashMap的擴容有關，只要size大於容量的0.75倍就需要進行擴容。

4）threshold，我們可以認為他是擴容的閥門。

int threshold;

這個屬性和載入因子一樣，與擴容有關，它的值等於當前容器大小*載入因子，我們上面計算的12=16*0.75，12就是計算出來的threshold的值，就是當元素大小超過12就需要擴容。

上面loadFactor和threshold兩個元素與擴容有關，loadFactor是載入因子，預設為0.75，loadFactor的值可以大於1，但是綜合空間和時間的考慮還是使用預設的載入因子DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75。而閥門threshold的值與載入因子有關。

5）TREEIFY_THRESHOLD 這個值是從連結串列變成紅黑樹的閥門，如果大於這個值就會轉變

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

6）table 底層陣列，就是HashMap的底層陣列

transient Node<K,V>[] table;

因為陣列的查詢的時間複雜度是o(1),

(1)如果沒有hash衝突，則所有的資料會放到這個table陣列中，

(2)如果有hash衝突且連結串列的長度小於等於8，則會把連結串列的第一個節點放到table中.

(3)如果有hash衝突且是紅黑樹，則紅黑樹的根節點會放到table中

7）size  HashMap實際存放元素的個數

transient int size

我們先記住這些非常重要的屬性，其他的屬性下面用到的都會講到，我們接下來說一下Node，在連結串列轉換成紅黑樹前，我們的元素都會封裝成一個Node資料結構，原始碼如下：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
 }

(1)hash：表示key的hash

(2)key:表示我們給出的key,就是map(key,value)中的key

(3)value:表示我們給出的value，就是map(key,value)中的value

(4)next：如果hash相同，會形成連結串列，當前連結串列節點的下一個連結串列的引用，即連結串列後繼。

如果連結串列的長度大於8後，為了查詢的效能，會把連結串列轉換成紅黑樹TreeNode。

 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }
 }

TreeNode的原始碼較長，主要是為紅黑樹服務的，我們接下來會有一篇文章介紹紅黑樹，這裡我們主要闡述TreeNode的屬性。

(1)parent:表示節點的父節點

(2)left:表示左節點

(3)right:表示右節點

(4)prev:表示前驅節點

(5)red：表示是紅樹還是黑樹

三、HashMap的建構函式

在講解HashMap的建構函式之前，我們要記住一個非常重要的知識點：HashMap是懶載入的，他在建構函式中並沒有對底層陣列進行初始化，陣列初始化的工作在第一次呼叫put時初始化的，建構函式主要是對一些屬性進行了賦值。

1）第一個建構函式：無參建構函式

public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

可以看出它並沒有對陣列進行初始化，而是將載入因子初始化成預設的載入因子0.75

2）第二個建構函式

public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

這個建構函式呼叫了下面的建構函式

3）第三個建構函式

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

(1)首先判斷給出的初始化容量initialCapacity是否合法，判斷給出的載入因子是否合法，我們上面說了，預設的載入因子0.75是基於空間和時間的綜合考慮，一般使用預設的載入因子即可

(2)初始化載入因子

(3)上面我們說了，容器的大小必須是2的倍數（原因我們後面會分析），但是使用者給出的可能不是2的倍數，所以HashMap原始碼要對使用者給出的容器大小變成2的倍數，並計算出閥門的大小。

HashMap的原始碼怎樣把使用者給出的初始化容量大小變成2的倍數的呢？讓我們分析tableSizeFor來揭開其中的面紗。

static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

該方法用來返回大於或者等於輸入引數最接近的2的整數次冪的值。例如：

舉例1：我們輸入的cap=7,那麼大於或者等於輸入引數最接近的2的整數次冪的值8

舉例2：我們輸入的cap=8,那麼大於或者等於輸入引數最接近的2的整數次冪的值8

舉例3：我們輸入的cap=9,那麼大於或者等於輸入引數最接近的2的整數次冪的值16

舉例4：我們輸入的cap=15,大於或者等於輸入引數最接近的2的整數次冪的值16

1）第一行程式碼int n=cap-1,為什麼減1呢？這是因為如果不減1，如果給出的cap是2的整數次冪，例如cap=8,通過下面的多次運算，結果變成了16，這就違背了最接近的2的整數次冪。而通過cap-1,最終算出來的是8。所以要進行cap-1.

2)我們要知道一個知識點：或運算，記住這一點：遇1則1

我們舉例說明：cap=7

(1)int n=cap-1 計算結果 n=6   二進位制表示：0110

(2)n|=n>>>1  

 (2)n|=n>>>2

   (3)n|=n>>>4

              

(4)n|=n>>>8

(5)n|=n>>>16

通過幾步的與運算，此時n=7,

(6)最後一句程式碼則return 8，即返回大於或等於最接近輸入引數的2的整數次冪

所以這個方法非常的巧妙的把使用者給的容器的大小變成了2的整數次冪並返回

這個方法要注意一下知識點：

1）為了防止給出的cap本來就是2的整數次冪，所以先進行減1處理，防止給出的是8，到最後的計算後獲取的是16。

2）通過幾次與運算後，從給出的最高位1開始的位數都是1，例如：1000，通過與運算變成了0111，

3）這個方法不是初始化底層陣列的大小的，初始化陣列的動作在第一次put的時候，這個方法計算出來的值初始化給了threshold,但是我們前面不是講了，threshold=tableSizeFor(initialCapacity)*laodFactor嗎？，在構造方法中，並沒有對table這個成員變數進行初始化，table的初始化被推遲到了put方法中，在put方法中會對threshold重新計算。

通過我們上面的講解，是不是對HashMap的建構函式有了非常清晰的認識，我們總結一下

1）HashMap的建構函式並沒有對底層的陣列進行初始化，而是放到了第一次呼叫put的時候，建構函式只是

初始化了載入因子loadFactor和閥門threshold

2)如果使用者指定了容器的大小，HashMap只是把給定的initCap通過呼叫tableSizeFor方法，把給定的引數變成大於或者等於最接近輸入引數的2的整數次冪，並初始化給閥門threshold

本篇文章就先寫到這裡，我們上面有一個問題還沒有解決，為什麼需要變成2的整數次冪呢？下一篇文章我將給大家分析其中的原因。總結一下這一篇穩重的知識點：

1）HashMap的底層資料結構是陣列+連結串列+紅黑樹

2）載入因子loadFactor和閥門threshold是為擴容服務的。

3）底層陣列的容量大小一定是2的整數次冪（後文解釋）

4）HashMap建構函式並沒有初始化陣列，初始化陣列的動作在第一次呼叫put的時候進行的。