在Java集合类中最常用的除了ArrayList外，就是HashMap了。本文尽自己所能，尽量详细的解释HashMap的源码。一山还有一山高，有不足之处请之处，定感谢指定并及时修正。
在看HashMap源码之前先复习一下数据结构。
Java最基本的数据结构有数组和链表。数组的特点是空间连续（大小固定）、寻址迅速，但是插入和删除时需要移动元素，所以查询快，增加删除慢。链表恰好相反，可动态增加或减少空间以适应新增和删除元素，但查找时只能顺着一个个节点查找，所以增加删除快，查找慢。有没有一种结构综合了数组和链表的优点呢？当然有，那就是哈希表（虽说是综合优点，但实际上查找肯定没有数组快，插入删除没有链表快，一种折中的方式吧）。一般采用拉链法实现哈希表。哈希表？拉链法？可能一下想不起来，不过放张图就了然了。
（图片google来的，好多都用了文章用了这张图了，不知道出处了就没申明作者了）
学计算机的肯定学过这玩意儿，也不需要解释，都懂的。
铺垫了这么多，又是数组又是链表，还有哈希表，拉链法，该入正题了，我们什么时候用到了这些内容，具体它是怎么实现的？
其实我们一直在用（别告诉我你没用过HashMap什么的），可能你一直没去深究，没看到它如何实现的，所以一直没感受到。这里主要分析HashMap的源码，就不再多扯其他的了。
HashMap继承自AbstractMap，实现了Map接口（这些内容可以参考《Java集合类》）。来看类的定义。
1 public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
Map接口定义了所有Map子类必须实现的方法。Map接口中还定义了一个内部接口Entry（为什么要弄成内部接口？改天还要学习学习）。Entry将在后面有详细的介绍。
AbstractMap也实现了Map接口，并且提供了两个实现Entry的内部类：SimpleEntry和SimpleImmutableEntry。
定义了接口，接口中又有内部接口，然后有搞了个抽象类实现接口，抽象类里面又搞了两个内部类实现接口的内部接口，有没有点绕，为什么搞成这样呢？先不管了，先看HashMap吧。
HashMap中定义的属性（应该都能看明白，不过还是解释一下）：
1 /**
2 * 默认的初始容量，必须是2的幂。
3 */
4 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
5 /**
6 * 最大容量（必须是2的幂且小于2的30次方，传入容量过大将被这个值替换）
7 */
8 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
9 /**
10 * 默认装载因子，这个后面会做解释
11 */
12 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
13 /**
14 * 存储数据的Entry数组，长度是2的幂。看到数组的内容了，接着看数组中存的内容就明白为什么博文开头先复习数据结构了
15 */
16 transient Entry[] table;
17 /**
18 * map中保存的键值对的数量
19 */
20 transient int size;
21 /**
22 * 需要调整大小的极限值（容量*装载因子）
23 */
24 int threshold;
25 /**
26 *装载因子
27 */
28 final float loadFactor;
29 /**
30 * map结构被改变的次数
31 */
32 transient volatile int modCount;
接着是HashMap的构造方法。
/**
*使用默认的容量及装载因子构造一个空的HashMap
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);//计算下次需要调整大小的极限值
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];//根据默认容量（16）初始化table
init();
}
/**
* 根据给定的初始容量的装载因子创建一个空的HashMap
* 初始容量小于0或装载因子小于等于0将报异常
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)//调整最大容量
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
int capacity = 1;
//设置capacity为大于initialCapacity且是2的幂的最小值
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}
/**
*根据指定容量创建一个空的HashMap
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);//调用上面的构造方法，容量为指定的容量，装载因子是默认值
}
/**
*通过传入的map创建一个HashMap，容量为默认容量（16）和(map.zise()/DEFAULT_LOAD_FACTORY)+1的较大者，装载因子为默认值
*/
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);
}
上面的构造方法中调用到了init()方法，最后一个方法还调用了putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m)。init方法是一个空方法，里面没有任何内容。putAllForCreate看方法名就是创建的时候将传入的map全部放入新创建的对象中。该方法中还涉及到其他方法，将在后面介绍。
先看初始化table时均使用了Entry，这是HashMap的一个内部类，实现了Map接口的内部接口Entry。
下面给出Map.Entry接口及HashMap.Entry类的内容。
Map.Entry接口定义的方法
1 K getKey();//获取Key
2 V getValue();//获取Value
3 V setValue();//设置Value，至于具体返回什么要看具体实现
4 boolean equals(Object o);//定义equals方法用于判断两个Entry是否相同
5 int hashCode();//定义获取hashCode的方法
HashMap.Entry类的具体实现
1 static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
2 final K key;
3 V value;
4 Entry<K,V> next;//对下一个节点的引用（看到链表的内容，结合定义的Entry数组，是不是想到了哈希表的拉链法实现？！）
5 final int hash;//哈希值
6
7 Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
8 value = v;
9 next = n;
10 key = k;
11 hash = h;
12 }
13
14 public final K getKey() {
15 return key;
16 }
17
18 public final V getValue() {
19 return value;
20 }
21
22 public final V setValue(V newValue) {
23 V oldValue = value;
24 value = newValue;
25 return oldValue;//返回的是之前的Value
26 }
27
28 public final boolean equals(Object o) {
29 if (!(o instanceof Map.Entry))//先判断类型是否一致
30 return false;
31 Map.Entry e = (Map.Entry)o;
32 Object k1 = getKey();
33 Object k2 = e.getKey();
34 // Key相等且Value相等则两个Entry相等
35 if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
36 Object v1 = getValue();
37 Object v2 = e.getValue();
38 if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
39 return true;
40 }
41 return false;
42 }
43 // hashCode是Key的hashCode和Value的hashCode的异或的结果
44 public final int hashCode() {
45 return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^
46 (value==null ? 0 : value.hashCode());
47 }
48 // 重写toString方法，是输出更清晰
49 public final String toString() {
50 return getKey() + "=" + getValue();
51 }
52
53 /**
54 *当调用put(k,v)方法存入键值对时，如果k已经存在，则该方法被调用（为什么没有内容？）
55 */
56 void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
57 }
58
59 /**
60 * 当Entry被从HashMap中移除时被调用（为什么没有内容？）
61 */
62 void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
63 }
64 }
看完属性和构造方法，接着看HashMap中的其他方法，一个个分析，从最常用的put和get说起吧。
put()
1 public V put(K key, V value) {
2 if (key == null)
3 return putForNullKey(value);
4 int hash = hash(key.hashCode());
5 int i = indexFor(hash, table.length);
6 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
7 Object k;
8 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
9 V oldValue = e.value;
10 e.value = value;
11 e.recordAccess(this);
12 return oldValue;
13 }
14 }
15
16 modCount++;
17 addEntry(hash, key, value, i);
18 return null;
19 }
当存入的key是null的时候将调用putForNUllKey方法，暂时将这段逻辑放一边，看key不为null的情况。先调用了hash(int h)方法获取了一个hash值。
1 static int hash(int h) {
2 // This function ensures that hashCodes that differ only by
3 // constant multiples at each bit position have a bounded
4 // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
5 h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
6 return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
7 }
这个方法的主要作用是防止质量较差的哈希函数带来过多的冲突（碰撞）问题。Java中int值占4个字节，即32位。根据这32位值进行移位、异或运算得到一个值。
1 static int indexFor(int h, int length) {
2 return h & (length-1);
3 }
indexFor返回hash值和table数组长度减1的与运算结果。为什么使用的是length-1？应为这样可以保证结果的最大值是length-1，不会产生数组越界问题。
获取索引位置之后做了什么？探测table[i]所在的链表，所发现key值与传入的key值相同的对象，则替换并返回oldValue。若找不到，则通过addEntry(hash,key,value,i)添加新的对象。来看addEntry(hash,key,value,i)方法。
1 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
2 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
3 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
4 if (size++ >= threshold)
5 resize(2 * table.length);
6 }
这就是在一个链表头部插入一个节点的过程。获取table[i]的对象e，将table[i]的对象修改为新增对象，让新增对象的next指向e。之后判断size是否到达了需要扩充table数组容量的界限并让size自增1，如果达到了则调用resize(int capacity)方法将数组容量拓展为原来的两倍。
1 void resize(int newCapacity) {
2 Entry[] oldTable = table;
3 int oldCapacity = oldTable.length;
4 // 这个if块表明，如果容量已经到达允许的最大值，即MAXIMUN_CAPACITY，则不再拓展容量，而将装载拓展的界限值设为计算机允许的最大值。
5 // 不会再触发resize方法，而是不断的向map中添加内容，即table数组中的链表可以不断变长，但数组长度不再改变
6 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
7 threshold = Integer.MAX_VALUE;
8 return;
9 }
10 // 创建新数组，容量为指定的容量
11 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
12 transfer(newTable);
13 table = newTable;
14 // 设置下一次需要调整数组大小的界限
15 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
16 }
结合上面给出的注释，调整数组容量的内容仅剩下将原table中的内容复制到newTable中并将newTable返回给原table。即上面代码中的“transfer(newTable);table = newTable;”。来看transfer(Entry[] newTable)方法。
1 void transfer(Entry[] newTable) {
2 // 保留原数组的引用到src中，
3 Entry[] src = table;
4 // 新容量使新数组的长度
5 int newCapacity = newTable.length;
6 // 遍历原数组
7 for (int j = 0; j < src.length; j++) {
8 // 获取元素e
9 Entry<K,V> e = src[j];
10 if (e != null) {
11 // 将原数组中的元素置为null
12 src[j] = null;
13 // 遍历原数组中j位置指向的链表
14 do {
15 Entry<K,V> next = e.next;
16 // 根据新的容量计算e在新数组中的位置
17 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
18 // 将e插入到newTable[i]指向的链表的头部
19 e.next = newTable[i];
20 newTable[i] = e;
21 e = next;
22 } while (e != null);
23 }
24 }
25 }
从上面的代码可以看出，HashMap之所以不能保持元素的顺序有以下几点原因：第一，插入元素的时候对元素进行哈希处理，不同元素分配到table的不同位置；第二，容量拓展的时候又进行了hash处理；第三，复制原表内容的时候链表被倒置。
一个put方法带出了这么多内容，接着看看putAll吧。
1 public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
2 int numKeysToBeAdded = m.size();
3 if (numKeysToBeAdded == 0)
4 return;
5 // 为什么判断条件是numKeysToBeAdded，不是(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold???
6 if (numKeysToBeAdded > threshold) {
7 int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
8 if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
9 targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
10 int newCapacity = table.length;
11 while (newCapacity < targetCapacity)
12 newCapacity <<= 1;
13 if (newCapacity > table.length)
14 resize(newCapacity);
15 }
16
17 for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
18 Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
19 put(e.getKey(), e.getValue());
20 }
21 }
先回答上面的问题：为什么判断条件是numKeysToBeAdded，不是(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold???
这是一种保守的做法，明显地，我们应该在(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold的时候去拓展容量，但是考虑到将被添加的元素可能会有Key与原本存在的Key相同的情况，所以采用保守的做法，避免拓展到过大的容量。
接着是遍历m中的内容，然后调用put方法将元素添加到table数组中。
遍历的时候涉及到了entrySet方法，这个方法定义在Map接口中，HashMap中也有实现，后面会解释HashMap的这个方法，其它Map的实现暂不解释。
下面介绍在put方法中被调用到的putForNullKey方法。
1 private V putForNullKey(V value) {
2 for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
3 if (e.key == null) {
4 V oldValue = e.value;
5 e.value = value;
6 e.recordAccess(this);
7 return oldValue;
8 }
9 }
10 modCount++;
11 addEntry(0, null, value, 0);
12 return null;
13 }
这是一个私有方法，在put方法中被调用。它首先遍历table数组，如果找到key为null的元素，则替换元素值并返回oldValue；否则通过addEntry方法添加元素，之后返回null。
还记得上面构造方法中调用到的putAllForCreate吗？一口气将put操作的方法看完吧。
1 private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
2 for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
3 Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
4 putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
5 }
6 }
先将遍历的过程放在一边，因为它同样涉及到了entrySet()方法。剩下的代码很简单，只是调用putForCreate方法逐个元素加入。
1 private void putForCreate(K key, V value) {
2 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
3 int i = indexFor(hash, table.length);
4 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
5 Object k;
6 if (e.hash == hash &&
7 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
8 e.value = value;
9 return;
10 }
11 }
12 createEntry(hash, key, value, i);
13 }
该方法先计算需要添加的元素的hash值和在table数组中的索引i。接着遍历table[i]的链表，若有元素的key值与传入key值相等，则替换value，结束方法。若不存在key值相同的元素，则调用createEntry创建并添加元素。
1 void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
2 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
3 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
4 size++;
5 }
这个方法的内容就不解释了，上面都解释过。
至此所有put相关操作都解释完毕了。put之外，另一个常用的操作就是get，下面就来看get方法。
1 public V get(Object key) {
2 if (key == null)
3 return getForNullKey();
4 int hash = hash(key.hashCode());
5 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
6 e != null;
7 e = e.next) {
8 Object k;
9 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
10 return e.value;
11 }
12 return null;
13 }
该方法分为key为null和不为null两块。先看不为null的情况。先获取key的hash值，之后通过hash值及table.length获取key对应的table数组的索引，遍历索引的链表，所找到key相同的元素，则返回元素的value，否者返回null。不为null的情况调用了getForNullKey()方法。
1 private V getForNullKey() {
2 for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
3 if (e.key == null)
4 return e.value;
5 }
6 return null;
7 }
这是一个私有方法，只在get中被调用。该方法判断table[0]中的链表是否包含key为null的元素，包含则返回value，不包含则返回null。为什么是遍历table[0]的链表？因为key为null的时候获得的hash值都是0。
添加（put）和获取（get）都结束了，接着看如何判断一个元素是否存在。
HashMap没有提供判断元素是否存在的方法，只提供了判断Key是否存在及Value是否存在的方法，分别是containsKey(Object key)、containsValue(Object value)。
containsKey(Object key)方法很简单，只是判断getEntry(key)的结果是否为null，是则返回false，否返回true。
1 public boolean containsKey(Object key) {
2 return getEntry(key) != null;
3 }
4 final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
5 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
6 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
7 e != null;
8 e = e.next) {
9 Object k;
10 if (e.hash == hash &&
11 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
12 return e;
13 }
14 return null;
15 }
getEntry(Object key)也没什么内容，只是根据key对应的hash值计算在table数组中的索引位置，然后遍历该链表判断是否存在相同的key值。
1 public boolean containsValue(Object value) {
2 if (value == null)
3 return containsNullValue();
4
5 Entry[] tab = table;
6 for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
7 for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
8 if (value.equals(e.value))
9 return true;
10 return false;
11 }
12 private boolean containsNullValue() {
13 Entry[] tab = table;
14 for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
15 for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
16 if (e.value == null)
17 return true;
18 return false;
19 }
判断一个value是否存在比判断key是否存在还要简单，就是遍历所有元素判断是否有相等的值。这里分为两种情况处理，value为null何不为null的情况，但内容差不多，只是判断相等的方式不同。
这个判断是否存在必须遍历所有元素，是一个双重循环的过程，因此是比较耗时的操作。
接着看HashMap中“删除”相关的操作，有remove(Object key)和clear()两个方法。
remove(Object key)
1 public V remove(Object key) {
2 Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
3 return (e == null ? null : e.value);
4 }
看这个方法，removeEntryKey(key)的返回结果应该是被移除的元素，如果不存在这个元素则返回为null。remove方法根据removeEntryKey返回的结果e是否为null返回null或e.value。
removeEntryForKey(Object key)
1 final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
2 int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
3 int i = indexFor(hash, table.length);
4 Entry<K,V> prev = table[i];
5 Entry<K,V> e = prev;
6
7 while (e != null) {
8 Entry<K,V> next = e.next;
9 Object k;
10 if (e.hash == hash &&
11 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
12 modCount++;
13 size--;
14 if (prev == e)
15 table[i] = next;
16 else
17 prev.next = next;
18 e.recordRemoval(this);
19 return e;
20 }
21 prev = e;
22 e = next;
23 }
24
25 return e;
26 }
上面的这个过程就是先找到table数组中对应的索引，接着就类似于一般的链表的删除操作，而且是单向链表删除节点，很简单。在C语言中就是修改指针，这个例子中就是将要删除节点的前一节点的next指向删除被删除节点的next即可。
clear()
1 public void clear() {
2 modCount++;
3 Entry[] tab = table;
4 for (int i = 0; i < tab.length; i++)
5 tab[i] = null;
6 size = 0;
7 }
clear()方法删除HashMap中所有的元素，这里就不用一个个删除节点了，而是直接将table数组内容都置空，这样所有的链表都已经无法访问，Java的垃圾回收机制会去处理这些链表。table数组置空后修改size为0。
这里为什么不直接操作table而是通过tab呢？希望有知道的大侠指点一二。
主要方法看的差不多了，接着看一个上面提到了好几次但是都搁在一边没有分析的方法：entrySet()。
entrySet()
1 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
2 return entrySet0();
3 }
4
5 private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
6 Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
7 return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
8 }
为什么会有这样的方法，只是调用了一下entrySet0，而且entrySet0的名称看着就很奇怪。再看entrySet0方法中为什么不直接return entrySet!=null?entrySet:(entrySet = new EntrySet)呢？
上面的疑问还没解开，但是先看entrySet这个属性吧，在文章开头的属性定义中并没有给出这个属性，下面先看一下它的定义：
1 private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;
它是一个内容为Map.Entry<K,V>的Set。看看在哪些地方往里面添加了元素。
为什么上面的那句话我要把它标成红色？因为这是一个陷阱，在看代码的时候我就陷进去了。
仔细看EntrySet这个类。
1 private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
2 public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
3 return newEntryIterator();
4 }
5 public boolean contains(Object o) {
6 if (!(o instanceof Map.Entry))
7 return false;
8 Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
9 Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
10 return candidate != null && candidate.equals(e);
11 }
12 public boolean remove(Object o) {
13 return removeMapping(o) != null;
14 }
15 public int size() {
16 return size;
17 }
18 public void clear() {
19 HashMap.this.clear();
20 }
21 }
看到了什么？这个类根本就没属性，它只是个代理。因为它内部类，可以访问外部类的内容，debug的时候能看到的属性都是继承或者外部类的属性，输出的时候其实也是调用到了父类的toString方法将HashMap中的内容输出了。
keySet()
1 public Set<K> keySet() {
2 Set<K> ks = keySet;
3 return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
4 }
是不是和entrySet0()方法很像！
1 private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
2 public Iterator<K> iterator() {
3 return newKeyIterator();
4 }
5 public int size() {
6 return size;
7 }
8 public boolean contains(Object o) {
9 return containsKey(o);
10 }
11 public boolean remove(Object o) {
12 return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
13 }
14 public void clear() {
15 HashMap.this.clear();
16 }
17 }
同样是个代理类，contains、remove、clear方法都是调用的HashMap的方法。
values()
1 public Collection<V> values() {
2 Collection<V> vs = values;
3 return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
4 }
5
6 private final class Values extends AbstractCollection<V> {
7 public Iterator<V> iterator() {
8 return newValueIterator();
9 }
10 public int size() {
11 return size;
12 }
13 public boolean contains(Object o) {
14 return containsValue(o);
15 }
16 public void clear() {
17 HashMap.this.clear();
18 }
19 }
values()方法也一样是代理。只是Values类继承自AbstractCollention类，而不是AbstractSet。
还有一个重要的内容没有进行说明，那就是迭代器。HashMap中的entrySet()、keySet()、values()等方法都使用到了迭代器Iterator的知识。其他集合类也有使用到迭代器，将另写博文总结讨论集合类的迭代器。