HashMap原理

概述：
HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

HashMap的数据结构：
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

transient Entry[] table;

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

可以看出，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。
HashMap的存取实现：

public V put(K key, V value)
 {
    // HashMap允许存放null键和null值。
    // 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。
    if (key == null)
            return putForNullKey(value);
    // 根据key的keyCode重新计算hash值。
        int hash = hash(key.hashCode());
    // 搜索指定hash值在对应table中的索引。
        int i = indexFor(hash, table.length);
    // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。
     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;
            }
     }
    // 如果i索引处的Entry为null，表明此处还没有Entry。
     modCount++;
    // 将key、value添加到i索引处。
     addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hashCode重新计算hash值，根据hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的hash值，将key-value对放在数组table的i索引处。addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法，代码如下：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
 {
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry 
     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
 // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
              // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限
         if (size++ >= threshold)
              // 把 table 对象的长度扩充到原来的2倍。
             resize(2 * table.length);
    }

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，防止低位不变，高位变化时，造成的hash冲突。

     static int hash(int h) {
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

我们当然希望这个HashMap里面的 元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用hash算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。

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) 方法所计算得到的 hash 码值总是相同的。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中是这样做的：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。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：
    

static int indexFor(int h, int length) 
{
        return h & (length-1);
}

在 HashMap 构造器中有如下代码：

          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，即底层数组的长度总是为2的n次方。

这里长度为什么是2的n次方是有原因的，看如下分析：
假设数组长度分别为15和16，优化后的hash码分别为8和9，那么&运算后的结果如下：

		h & (table.length-1)    	    hash     		table.length-1
		8 & (15-1)：				0100  		&  		1110 		= 		0100
		9 & (15-1)：				0101		&		1110		=		0100
		----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
		8 & (16-1)：				0100		& 		1111		=		0100
		9 & (16-1)：				0101		& 		1111		=		0101

当它们和15-1（1110）“与”的时候，产生了相同的结果，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，而16-1则不会出现上述问题。
所以说，当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key算得得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，这样查询效率也就较高了。

    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        int hash = hash(key.hashCode());
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

HashMap的resize（rehash）：

当HashMap中的元素越来越多的时候，hash冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对HashMap的数组进行扩容。数组扩容之后，原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置（这比较消耗性能），并放进去，这就是resize。

何时扩容？
   当HashMap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为0.75，也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当HashMap中元素个数超过16*0.75=12的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常消耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

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Fail-Fast机制：

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java.util.HashMap不是线程安全的，因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map，那么将抛出ConcurrentModificationException，这就是所谓fail-fast策略。
这一策略在源码中的实现是通过modCount域，modCount顾名思义就是修改次数，对HashMap内容的修改都将增加这个值，那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的expectedModCount。
Iterator() {  
           expectedModCount = modCount;  
           if (size > 0) { // advance to first entry  
               Entry[] t = table;  
               while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)  
                   ;  
           }  
       } 
在迭代过程中，判断modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了map
final Entry<K,V> nextEntry() {  
          if (modCount != expectedModCount)  
              throw new ConcurrentModificationException(); 
注意到modCount声明为volatile，保证线程之间修改的可见性。

在HashMap的API中指出：
由所有HashMap类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的：在迭代器创建之后，如果从结构上对映射进行修改，除非通过迭代器本身的 remove 方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败，而不冒在将来不确定的时间发生任意不确定行为的风险。
注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误。