概述
HashMap是一个散列表，是基于拉链法实现的。这个类继承了Map接口，Map接口提供了所有的哈希操作，比如set()、put()、remove()等，并且允许操作的键值对为null。HashMap跟Hashtable基本相同，区别是HashMap是非同步的并且允许键值对为null。HashMap不保证映射的顺序，特别是不保证该顺序恒久不变。
在用到的哈希函数均匀性比较好的前提下，基本操作比如put和get的时间都是O(1)的。处理哈希冲突所需的时间与哈希表的容量（桶的数目）加上表的大小（存储的键值映射对）之和成正比。所以在初始化哈希表时，初始容量不要太大（装载因子不要太小）。
影响HashMap性能的两个比较重要的参数是初始容量（initial capacity）和装载因子（load factor）。容量（capacity）是哈希表中桶的数量，初始容量就是哈希表创建时桶的数量。装载因子（load factor）是一个参数，它用来衡量哈希表满和空的程度，它在公式上等于size(键值对数量)/capacity(容量)。当装载因子大于某个值时，哈希表会进行重构（rehash），一般会将桶的数目加倍，哈希表的初始容量一般设为2的幂。
负载因子一般设为0.75。这是时间费用和空间费用的比较好的权衡。负载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。
HashMap是非同步的，如果有多个线程并发的的访问，并且只是有个线程在结构上改变哈希表，必须增加额外的同步策略。这里所说的在结构上该表哈希表是指增加或删除一个或多个键值对，只是改变某个关键字所对应的值并不是指改变哈希表结构。
HashMap的数据结构
在Java编程语言中，最基本的结构就是两种，一个是数组，一个是模拟指针（引用），所有的数据结构都可以用这两个结构来构造，HashMap也不例外。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。这是因为HashMap使用拉链法来解决哈希冲突的。
从构造函数可以看出，HashMap底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候，就会初始化一个数组。
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
........
}
Entry就是数组中的元素，每个Map.Entry其实就是一个key-value对，它持有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。同时，hash用来计算桶号，每一个桶就是一个链表。
源码阅读
HashMap类的源代码主要分如下及部分：
1）HashMap自身的成员变量及方法；
2）Entry的成员及方法。Entry是HashMap的子类，哈希表是一个Entry数组，数组的每一项代表一个桶；
3）
1.类成员变量
/**
*哈希表默认的初始容量 ，必须是2的幂.
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; /**
* 哈希表的最大容量。
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /**
* 转载因子，此值用于无参数的构造函数。
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /**
*哈希表，需要时会调整大小，长度必须是2的幂.
*/
transient Entry[] table; /**
* 哈希表中的键值对.
*/
transient int size; /**
* 阈值，当哈希表键值对数目达到此值时，哈希表会调整大小，等于capacity * load factor.
* @serial
*/
int threshold; /**
* 哈希表的转载因子.
*
* @serial
*/
final float loadFactor; /**
* 哈希表结构改变的次数
*/
transient volatile int modCount;
如以上源码所示，定义了哈希表重要的参数。因为HashMap实现了Serilizable接口，对象可以序列化，被关键字transient声明的变量可以不被序列化，详情可以参考http://www.cnblogs.com/lanxuezaipiao/p/3369962.html。
2构造函数
HashMap有四个构造函数，
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity
* @param loadFactor the load factor
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
* or the load factor is nonpositive
*/
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); // Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1; this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
} /**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and the default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity the initial capacity.
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
} /**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
} /**
* Constructs a new <tt>HashMap</tt> with the same mappings as the
* specified <tt>Map</tt>. The <tt>HashMap</tt> is created with
* default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to
* hold the mappings in the specified <tt>Map</tt>.
*
* @param m the map whose mappings are to be placed in this map
* @throws NullPointerException if the specified map is null
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
putAllForCreate(m);
}
构造函数的重要功能是初始化capacity、loadFactor、threshold和table等。值得注意的是，第四个构造函数是根据已有的某个HashMap创建新的HashMap.
3基本哈希操作
3.1求索引
/**
* Applies a supplemental hash function to a given hashCode, which
* defends against poor quality hash functions. This is critical
* because HashMap uses power-of-two length hash tables, that
* otherwise encounter collisions for hashCodes that do not differ
* in lower bits. Note: Null keys always map to hash 0, thus index 0.
*/
static int hash(int h) {
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
} /**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
这两个函数是求索引的，也就是键值对应该存放在哪个桶中。hash函数的输入是key的hashcode()。
3.2存
/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
* (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
* previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
} modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
当我们向HashMap中put元素的时候，先根据key的hashcode作为hash函数的输入计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的下标，也就是哈希表的桶号。如果数组该位置上已经存放有其他元素，那么将新加入的放在链表头。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到数组中的该位置上。
分为三个情况：1）key已存在HashMap中；2）key不存在；3）key为null。对于第一种情况，定位到这个key，并将旧的value替换为新的value。对于第二种情况，调用addEntry函数，定义如下
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
addEntry函数调用了Entry的构造函数，如下
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
从代码中可以看到，向表中插入一个Entry时，用到的是前插法，也就是说，新的Entry放在了链表的头部。当系统决定存储HashMap中的key-value对时，完全没有考虑Entry中的value，仅仅只是根据key来计算并决定每个Entry的存储位置。第三种情况，key为null时，调用函数putForNullKey，函数如下：
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
当key为null时，索引为0.
static int hash(int h) {
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
hash(int h)方法根据key的hashcode重新计算一次散列，此算法加入了高位计算，防止当低位不变，高位变化时，造成hash冲突。
在HashMap中要找到某个元素时，需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。HashMap的数据结构是数组和链表的结合，我们当然希望这个HashMap里面的元素尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，当我们查询时不用遍历链表，这样就大大优化了查询效率。
对于任意给定的对象，只要它的hashCode()返回值相同，那么程序调用hash(int h)方法所得到的hash值总是相同的，我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，在HashMap中是这样的：调用indexFor(int h,int length)方法来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处。
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
这个方法非常巧妙，它通过h&(table.length-1)来得到该对象的索引，而HashMap底层数组的长度总是2的n次方，这是HashMap在速度上的优化。在HashMap构造函数中有如下代码：
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
这段代码保证初始化时HashMap的容量总是2的n次方，即底层的长度总是2的n次方。当length是2的n次方时，h&(length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。
当数组长度是2的n次方时，2n-1得到的二进制数的每位上的值都为1，这使得在低位上&时，得到的和原hash的低位相同，加之hash(int h)方法对key的hashCode的进一步优化，加入了高位计算，就使得只有相同的hash值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。所以说，当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key计算得到的index相同的几率较小。那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰撞的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率就较高了。
3.3取
根据key取对应的value，key可以是null，其索引是0
根据key取出其对应的Entry（键值对），key不存在时，返回null
HashMap在底层将key-value当成一个整体进行处理，这个整体就是一个Entry对象。HashMap底层采用一个Entry数组来保存所有的key-value对，当需要存储一个Entry对象时，会根据hash算法来决定其在数组中的存储位置，再根据equals方法决定其在该数组上的链表中的存储位置，当需要读取一个Entry时，也会根据hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。
3.4 Rehash
当哈希表中的元素数目达到阈值时，哈希表就自动进行Rehash，capacity加倍。值得注意的是，当capacity等于MAXIMUM_CAPACITY的时候，不会调整哈希表大小，但是会把阈值调为Integer.MAX_VALUE。rehash是一个比较耗时的操作。Rahash对应的函数是resize，如下
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
resize调用transfer函数，它的作用是将久表中的元素重新映射到新表中。transfer函数的代码如下：
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
3.5删除
根据key删除其对应的Entry是由函数remove实现的，remove函数调用removeEntryForKey实现，removeEntryForKey的代码如下：
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}
删除并返回key所对应的Entry，如果哈希表中不存在参数key对于的键值对，则返回null。
clear函数将哈希表置空，如下
/**
* Removes all of the mappings from this map.
* The map will be empty after this call returns.
*/
public void clear() {
modCount++;
Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length; i++)
tab[i] = null;
size = 0;
}
可以看出，函数遍历Entry数组，并将数组的每一项置为null。
3.6存在性
判断某个value是否存储在哈希表中，函数如下
/**
* Returns <tt>true</tt> if this map maps one or more keys to the
* specified value.
*
* @param value value whose presence in this map is to be tested
* @return <tt>true</tt> if this map maps one or more keys to the
* specified value
*/
public boolean containsValue(Object value) {
if (value == null)
return containsNullValue(); Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
if (value.equals(e.value))
return true;
return false;
}
没有巧妙的方法，就是遍历哈希表。value也可以取值为null，用专门的函数containsNullValue，代码如下：
/**
* Special-case code for containsValue with null argument
*/
private boolean containsNullValue() {
Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
if (e.value == null)
return true;
return false;
}
也是遍历哈希表。
4.Entry类
键值对存储在一个Entry中，HashMap的存储结构就是一个Entry数组，索引是数组的下标。数组的每一项对应一个桶，每个桶是一个Entry单向列表。代码如下
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^
(value==null ? 0 : value.hashCode());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}
参考
http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3310835.html
http://www.codeceo.com/article/java-hashmap-learn.html