手撕 HashMap 源码：深入理解 JDK 7 的数据结构和原理

导言

HashMap 是 Java 中广泛使用的哈希表实现，以其出色的性能和便捷的操作而著称。然而，为了充分发挥 HashMap 的潜力，深入理解其底层原理至关重要。本文将带你手撕 JDK 7 中 HashMap 的源码，揭开其数据结构和工作原理的神秘面纱。

数据结构

HashMap 的数据结构基于数组和单链表。数组充当存储桶，每个存储桶存储一组具有相同哈希码的键值对。当键的哈希码计算得出时，它会被映射到数组中的一个特定存储桶。

如果存储桶中已经存在一个具有相同哈希码的键值对，则该键值对将被添加到该存储桶的单链表中。这种结构允许在 O(1) 的平均时间复杂度内插入和查找元素。

哈希函数

HashMap 使用一个哈希函数来计算键的哈希码。JDK 7 中使用的哈希函数是一种简单的位移操作，它通过将键的位移移位 5 位来生成哈希码。这种哈希函数相对简单，但在实践中表现良好。

装载因子

HashMap 使用装载因子来衡量存储桶的填充程度。装载因子是一个介于 0 和 1 之间的值，它表示存储桶中已使用的空间比例。当装载因子达到临界值（默认为 0.75）时，HashMap 将重新哈希数组并增加其容量。

重新哈希

当装载因子达到临界值时，HashMap 会进行重新哈希。重新哈希涉及创建一个新数组，容量是旧数组的两倍。然后，所有键值对都会重新哈希到新数组中。重新哈希有助于降低存储桶的填充程度并提高搜索和插入的性能。

优点

• 高效搜索和插入： HashMap 的平均时间复杂度为 O(1)，这使得它在搜索和插入元素方面非常高效。
• 灵活的数据结构： HashMap 允许存储任意类型的键值对，提供了很高的灵活性。
• 并发支持： JDK 8 及更高版本中，HashMap 提供了并发支持，允许在多线程环境中安全地使用。

局限性

• 哈希冲突： 当两个键具有相同的哈希码时，就会发生哈希冲突。HashMap 使用单链表来解决冲突，这可能会导致性能下降。
• 装载因子限制： HashMap 的装载因子限制了存储桶的填充程度。如果存储桶过满，性能就会受到影响。
• 键值遍历顺序： HashMap 不保证键值遍历的特定顺序。这对于某些应用程序来说可能是一个问题。

JDK 8 改进

JDK 8 中的 HashMap 进行了大幅修改，以提高性能并解决 JDK 7 中存在的局限性。一些主要改进包括：

• 定制哈希函数： JDK 8 允许使用自定义哈希函数，这可以改善哈希冲突的情况。
• 链表改用红黑树： 对于具有大量哈希冲突的存储桶，JDK 8 使用红黑树代替单链表，这可以提高性能。
• 并发控制： JDK 8 引入了分段锁，这允许在多线程环境中更有效地进行并发控制。

结论

HashMap 是一种强大的数据结构，提供了快速搜索和插入操作。通过理解 HashMap 在 JDK 7 中的实现，我们可以充分利用其优点并规避其局限性。JDK 8 中的改进进一步增强了 HashMap 的性能和并发性，使其成为现代 Java 应用程序中不可或缺的工具。