HashMap底层数据结构深入剖析：数组与链表/红黑树的完美结合

一、前言

HashMap是Java中广泛使用的集合框架，以其快速查找和存储键值对的能力而闻名。它底层的实现机制是程序员深入理解Java集合框架的关键。本文将详细剖析HashMap在不同JDK版本下的底层实现，从JDK 1.7的数组+链表到JDK 1.8的数组+链表或红黑树，全面揭示HashMap的高效运行原理。

二、HashMap底层数据结构演进

1、JDK 1.7：数组+链表

在JDK 1.7中，HashMap底层采用数组+链表的结构。数组充当主要的数据存储结构，每个数组元素都指向一个链表。当向HashMap中插入元素时，元素会被存储在数组的相应位置上，如果该位置已经存在一个链表，则元素会被添加到链表的尾部。

这种设计具有较高的初始插入性能，因为数组的随机访问速度很快。但是，当链表过长时，查找和删除元素的性能会下降，因为需要遍历整个链表来找到目标元素。

2、JDK 1.8：数组+链表或红黑树

为了解决JDK 1.7中链表过长导致的性能问题，JDK 1.8对HashMap的底层数据结构进行了优化。当HashMap中元素的数量超过一定阈值时，链表会被转换为红黑树。红黑树是一种自平衡二叉查找树，具有良好的查找和删除性能。

这种设计兼顾了初始插入性能和查询性能。在元素较少时，HashMap使用链表存储元素，以提高插入性能。当元素较多时，HashMap使用红黑树存储元素，以提高查询性能。

三、HashMap底层工作原理

1、哈希函数

HashMap的核心原理是哈希函数。哈希函数是一种将键映射到数组索引的函数。当向HashMap中插入元素时，元素的键会通过哈希函数计算出相应的数组索引，然后元素会被存储在数组的相应位置上。

哈希函数的选取对HashMap的性能至关重要。一个好的哈希函数应该能够均匀地将键分布到数组中，以避免碰撞。碰撞是指两个不同的键映射到同一个数组索引的情况。碰撞过多会导致链表过长，进而降低HashMap的查找和删除性能。

2、链表和红黑树

在JDK 1.7中，HashMap使用链表来存储碰撞的元素。链表是一种简单的线性数据结构，它由一组节点组成，每个节点包含一个值和一个指向下一个节点的指针。当向HashMap中插入一个元素时，如果该元素的键与数组中某个元素的键发生碰撞，则该元素会被添加到链表的尾部。

在JDK 1.8中，HashMap在链表过长时会将链表转换为红黑树。红黑树是一种自平衡二叉查找树，它具有良好的查找和删除性能。当向HashMap中插入一个元素时，如果该元素的键与数组中某个元素的键发生碰撞，则该元素会被添加到红黑树中。

红黑树的平衡性保证了查找和删除元素的性能不会随着元素数量的增加而下降。即使在元素数量非常多的时候，HashMap也能保持较高的查询性能。

四、总结

HashMap是Java中广泛使用的集合框架，它以其快速查找和存储键值对的能力而闻名。HashMap的底层实现机制是程序员深入理解Java集合框架的关键。

HashMap在JDK 1.7和JDK 1.8中使用了不同的底层数据结构。在JDK 1.7中，HashMap使用数组+链表的结构。在JDK 1.8中，HashMap使用数组+链表或红黑树的结构。

HashMap的底层工作原理主要涉及哈希函数、链表和红黑树。哈希函数将键映射到数组索引，链表和红黑树用于存储碰撞的元素。

理解HashMap的底层实现机制有助于程序员更好地使用HashMap，并避免在使用HashMap时遇到性能问题。