HashMap源码解析(JDK11)

概览

• HashMap 根据 key 的 hashCode 值进行储存数据，大多数情况喜爱可以直接定位到他的值，因此有很快的访问速度
• 遍历的顺序不确定，并且不能保证顺序不改变
• 扩容是一个特别耗性能的操作，所以 在使用时可以先给一个大致的容量
• 允许一条记录的 key 为 null，且允许多条记录的 value 为 null
• 线程不安全，即同一时刻有多个线程同时写 HashMap，对HashMap 造成结构性变化（A structural modification is any operation that adds or deletes one or more mappings; merely changing the value associated with a key that an instance already contains is not a structural modification.），可能会导致数据不一致，此时可以使用一下方法获得同步方法：Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(…));或者使用 ConcurrentHashMap
• 提供了耗时 constant-time 的基本操作（get， put）
• Iteration over collection views requires time proportional to the “capacity” of the HashMap instance (the number of buckets) plus its size (the number of key-value mappings). Thus, it’s very important not to set the initial capacity too high (or the load factor too low) if iteration performance is important.
• As a general rule, the default load factor (0.75) offers a good tradeoff between time and space costs.
• Note that using many keys with the same hashCode() is a sure way to slow down performance of any hash table. To ameliorate impact, when keys are Comparable, this class may use comparison order among keys to help break ties.

类名

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

参数

private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

/**
 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

/**
 * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
 * by either of the constructors with arguments.
 * MUST be a power of two <= 1<<30.
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
 * The load factor used when none specified in constructor.
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
 * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
 * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
 * bin with at least this many nodes. The value must be greater
 * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
 * tree removal about conversion back to plain bins upon
 * shrinkage.
 */
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

/**
 * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
 * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
 * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
 */
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

/**
 * The smallest table capacity for which bins may be treeified.
 * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
 * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
 * between resizing and treeification thresholds.
 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

MAXIMUM_CAPACITY

MAXIMUM_CAPACITY 表示 table 的最大容量，它是 int 类型，因此最大为 1 << 30(最高位为符号位)

为什么 Map 的容量要限制为2的整数次方

Map 的容量作出这样的限制主要是为了快速定位到数组的位置，并且使数据更加分散，减少碰撞，查看 getNode 源码我们可以发现 ：

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
  if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
      (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
    if (first.hash == hash && // always check first node
        ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      return first;
    if ((e = first.next) != null) {
      if (first instanceof TreeNode)
        return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
      do {
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          return e;
      } while ((e = e.next) != null);
    }
  }
  return null;
}

first = tab[(n - 1) & hash] 这行代码的作用是通过hash值取出数组中的值，其中 tab 为数组，n 为数组长度，hash为key 的hash值，在默认情况下，n = 16，则n – 1 = 15，二进制为 1111， 这样进行 & hash 操作最终结果还是 hash， 假设n = 15 ，n – 1 = 14（1110）， 这样会造成某些位置（如0001， 0011， 0101…）无法存放元素，空间浪费很大，并且数组中可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率。因此数组长度使用 2 的整数次方，可以是数据分布得更分散，减少碰撞。

DEFAULT_LOAD_FACTOR

Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we use them only when bins contain enough nodes to warrant use (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due to removal or resizing) they are converted back to plain bins. In usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are rarely used. Ideally, under random hashCodes, the frequency of nodes in bins follows a Poisson distribution

翻译：

treeNodes 大约是 普通 nodes 两倍，因此我们只在达到 TREEIFY_THRESHOLD（8）时会使用， 并且当 treeNodes 数量变少达到 UNTREEIFY_THRESHOLD（6）时，会将树转变为正常 node。使用hashcode使得节点散列正常，红黑树在平时很少用到。理论上，在随机的 hashcode 情况下，节点出现的概率遵从 Poisson 分布

默认的装载因子为 0.75，这是因为bin（指数组中的一个桶） 中节点出现的概率遵循Poisson分布（泊松分布），此时load factor = 0.75， λ=0.5 $$ P(X=k) =\frac{\lambda^ke^{-\lambda}}{k!} $$ 假如在长度为 16 的数组中放入0.75 * 16 = 12个数据时，数组中某个下标放入 k 个数据（即数组后面链表中的数据量）的概率如下

存储数据量	概率
0	0.60653066
1	0.30326533
2	0.07581633
3	0.01263606
4	0.00157952
5	0.00015795
6	0.00001316
7	0.00000094
8	0.00000006

我们可以看到，一个下标中存在8个nodes的概率是很低的，因此 此时将链表转为 treeNode是合乎情理的，并且性价比较高 ，可以通过增加有限的空间消耗换取时间消耗上的减少。

域

/**
 * The table, initialized on first use, and resized as
 * necessary. When allocated, length is always a power of two.
 * (We also tolerate length zero in some operations to allow
 * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
 */
transient Node<K,V>[] table;

/**
 * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
 * for keySet() and values().
 */
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

/**
 * The number of key-value mappings contained in this map.
 */
transient int size;

/**
 * The number of times this HashMap has been structurally modified
 * Structural modifications are those that change the number of mappings in
 * the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g.,
 * rehash).  This field is used to make iterators on Collection-views of
 * the HashMap fail-fast.  (See ConcurrentModificationException).
 */
transient int modCount;

/**
 * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
 *
 * @serial
 */
// (The javadoc description is true upon serialization.
// Additionally, if the table array has not been allocated, this
// field holds the initial array capacity, or zero signifying
// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
int threshold;

/**
 * The load factor for the hash table.
 *
 * @serial
 */
final float loadFactor;

threshold

???

构造函数

/**
 * Constructs an empty {@code HashMap} with the default initial capacity
 * (16) and the default load factor (0.75).
 */
public HashMap() {
  this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

public HashMap(int initialCapacity) {
  this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

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);
  this.loadFactor = loadFactor;
  this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
  this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
  putMapEntries(m, false);
}

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
  int s = m.size();
  if (s > 0) {
    if (table == null) { // pre-size
      float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
      int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
               (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
      if (t > threshold)
        threshold = tableSizeFor(t);
    }
    else if (s > threshold)
      resize();
    for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
      K key = e.getKey();
      V value = e.getValue();
      putVal(hash(key), key, value, false, evict);
    }
  }
}

通过四个构造函数我们可以看到，其主要工作为初始化这些参数：loadFactor， threshold，并没有实际初始化链表和数组，这样可以节省空间。

在 JDK8 中， threshold 的初始化方法：

/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 */
static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = cap - 1;
  n |= n >>> 1;
  n |= n >>> 2;
  n |= n >>> 4;
  n |= n >>> 8;
  n |= n >>> 16;
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

JDK11 中调用了 Integer.numberOfLeadingZeros() 方法，该方法主要作用：指定 int 值的二进制补码表示形式中最高位（最左边）的 1 位之前，返回零位的数量。 可以参考博客：jdk11源码–Integer.numberOfLeadingZeros

/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 */
static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
  return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

以上两个 tableSizeFor(int cap) 都是返回最近的不小于输入参数的2的整数次幂。比如10，则返回16，集体步骤如下：

• Integer.numberOfLeadingZeros(cap – 1) = 28，二进制表示为 00000000 00000000 00000000 00011100
• n = -1 >>> 28:
  • -1 的原码：10000000 00000000 00000000 00000001
  • -1 的反码：11111111 11111111 11111111 11111110
  • -1 的补码：11111111 11111111 11111111 11111111
  • -1 无符号 右移28位： 00000000 00000000 00000000 00001111 = 15
• 最终结果：15 + 1 = 16

存储结构

HashMap 的存储结构为 数组 + 链表 + 红黑树(JDK8后新加)，我们看源码需要弄清楚两个问题：数据底层具体存储的是什么？这样的存储方式有什么好处？

Node

HashMap 中的 Node 内部类实现了 Map.Entry 接口，本质是一个键值对，并且 HashMap 内部有一个Node<K, V>[] table 字段，这是一个 哈希桶数组

public static interface Map.Entry<K,V>

A map entry (key-value pair). The Map.entrySet method returns a collection-view of the map, whose elements are of this class. The only way to obtain a reference to a map entry is from the iterator of this collection-view. These Map.Entry objects are valid only for the duration of the iteration; more formally, the behavior of a map entry is undefined if the backing map has been modified after the entry was returned by the iterator, except through the setValue operation on the map entry.

/**
 * The table, initialized on first use, and resized as
 * necessary. When allocated, length is always a power of two.
 * (We also tolerate length zero in some operations to allow
 * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
 */
transient Node<K,V>[] table;

/**
 * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for
 * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
 */
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  // 用来定位数据索引的位置
  final int hash;
  final K key;
  V value;
  // 链表的下一个 Node
  Node<K,V> next;

  Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
    this.hash = hash;
    this.key = key;
    this.value = value;
    this.next = next;
  }

  public final K getKey()        { return key; }
  public final V getValue()      { return value; }
  public final String toString() { return key + "=" + value; }

  public final int hashCode() {
    return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
  }

  public final V setValue(V newValue) {
    V oldValue = value;
    value = newValue;
    return oldValue;
  }

  public final boolean equals(Object o) {
    if (o == this)
      return true;
    if (o instanceof Map.Entry) {
      Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
      if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
          Objects.equals(value, e.getValue()))
        return true;
    }
    return false;
  }
}

重要方法

首先明白一下概念，HashMap就是使用哈希表来存储的。哈希表为解决冲突，可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题，Java中HashMap采用了链地址法。链地址法，简单来说，就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。

确定哈希桶数组索引位置

/**
 * Computes key.hashCode() and spreads (XORs) higher bits of hash
 * to lower.  Because the table uses power-of-two masking, sets of
 * hashes that vary only in bits above the current mask will
 * always collide. (Among known examples are sets of Float keys
 * holding consecutive whole numbers in small tables.)  So we
 * apply a transform that spreads the impact of higher bits
 * downward. There is a tradeoff between speed, utility, and
 * quality of bit-spreading. Because many common sets of hashes
 * are already reasonably distributed (so don't benefit from
 * spreading), and because we use trees to handle large sets of
 * collisions in bins, we just XOR some shifted bits in the
 * cheapest possible way to reduce systematic lossage, as well as
 * to incorporate impact of the highest bits that would otherwise
 * never be used in index calculations because of table bounds.
 * 
 * 翻译：
 * 计算 key.hashCode()的值，并且将hash的高位通过异或（XORs）扩展到地位，由于table     	
 * 使用2的指数进行masking，因此仅在其范围进行mask的hash将会发生冲突（已知的例子为在     	
 * 小table中连续的Float keys）所以这里使用了转换将高位延展到地位，这是在speed 		 	
 * utility和quality of bit-spreading之间的tradeoff，因为很多常见的hash已经合理       
 * 地分布 （所以不会从spread中受益），并且我哦们使用红黑树来处理多hash冲突，我们只XOR 	
 * 一 些位来减少系统缺失，并且否则高位的不准确影响不会影响到index 计算。
 *
 */
static final int hash(Object key) {
  int h;
  return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

//jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的
static int indexFor(int h, int length) {  
  return h & (length-1);  
}

// JDK 1.8 源码
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
  // ...
	(first = tab[(n - 1) & hash]) != null)
  // ...
}

确定数组索引位置一共有三步：

• 取 hashCode值：h = key.hashCode()
• 高位参与运算：h ^ (h >>> 16)（此实现从JDK1.8开始，优化了高位运算的算法，通过hashCode()的高16位异或低16位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是从速度、功效、质量来考虑的，这么做可以在�数组table的length比较小的时候，也能保证考虑到高低Bit都参与到Hash的计算中，同时不会有太大的开销。）
• 取模运算：（n – 1）& hash (n 为 capacity，这里利用位运算进行取模，效率更高，该表达式相当于 hash % n)

我们这里重点看一下取模运算，这里用了位运算，而没有使用 %，这是因为 数组的长度 n （capacity）是2的指数

我们这里以 x = 1 << 4 为例

x: 		 00010000
x - 1: 00001111

令 y 与 x – 1 做 & 运算

y :        10110110
x - 1:     00001111
y&(x - 1): 00000110

这个表达式与 y 对 x 取模结果是一样的

y :     10110110
x :     00010000
y & x : 00000110

我们还能从运算中得出结论：**数组的 长度 n 越小，最终计算出的 索引 越有可能发生碰撞，因此我们在进行取模运算之前需要先进行高位异或运算，来减小发生碰撞的概率。**仅仅异或一下，既减少了系统的开销，也不会造成因为高位没有参与下标的计算(table长度比较小时)，从而引起的碰撞。如下表中的例子

key.hashCode()	00001010 00001111 00001001 00001101
无符号右移16位	00000000 00000000 00001010 00001111
两者疑惑的结果	00001010 00001111 00000011 00000010

另外有一点要注意，HashMap 允许 null 作为 key， 所以在 hash 方法中我们可以看到 null 对象的 hash 结果为 0， HashMap 使用第 0 个桶来存放键为 null 的键值对。

put 方法

public V put(K key, V value) {
  return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
  // 1. 判断 table 是否为空或为null，如果为空或null则调用 `resize()` 进行初始化
  if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;
  // 2. 判断当前索引是否有值
  if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  else {
    Node<K,V> e; K k;
    // 3. 判断数组当前索引存在的 Node 的 hash 与正要加入 Node 的hash 是否相同，以及两者的 key 是否同一引用或者equals方法返回true
    if (p.hash == hash &&
        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      e = p;
    // 4. 判断目前索引的值是否在红黑树上
    else if (p instanceof TreeNode)
      e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
    else {
      // 5. 遍历当前索引链表，如果链表长度大于8，则将链表转为红黑树，在红黑树中进行插入操作，否则进行链表的插入操作，如果遍历过程中发现相同的node，则直接退出循环
      for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        if ((e = p.next) == null) {
          p.next = newNode(hash, key, value, null);
          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
            treeifyBin(tab, hash);
          break;
        }
        // key 已经存在则直接覆盖
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          break;
        p = e;
      }
    }
    if (e != null) { // existing mapping for key
      V oldValue = e.value;
      if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
        e.value = value;
      afterNodeAccess(e);
      return oldValue;
    }
  }
  ++modCount;
  // 6. 判断是否超过 threshold，超过则扩容
  if (++size > threshold)
    resize();
  afterNodeInsertion(evict);
  return null;
}

/*
 * The following package-protected methods are designed to be
 * overridden by LinkedHashMap, but not by any other subclass.
 * Nearly all other internal methods are also package-protected
 * but are declared final, so can be used by LinkedHashMap, view
 * classes, and HashSet.
 */

// Create a regular (non-tree) node
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
  return new Node<>(hash, key, value, next);
}

Put 方法可以抽象概括为一下六步：

1. 判断 table 是否为空或为null，如果为空或null则调用 resize() 进行初始化。
2. 计算 key 的 hash 值，并最终通过上面的方法求出该 key 在数组中对应的索引 i，如果 table[i] == null,直接通过 newNode() 新建非树节点（Node），转向 步骤6，否则转向 步骤3.
3. 判断数组当前索引存在的 首个Node 的 hash 与正要加入 Node 的hash 是否相同（用到key.hashCode()），以及两者的 key 是否同一引用或者equals方法(用到 key.equals())返回true，**这一步就解释了为什么作为 key 的类一定要重写 hashCode 和 equals 方法。**比较之后如果相同，则直接覆盖 value，否则 步骤4。
4. 判断 table[i] 是否为 TreeNode，即是否是红黑树，如果是红黑树直接在树上插入键值对，否则转向 步骤5.
5. 遍历当前索引链表，如果链表长度大于8，则将链表转为红黑树，在红黑树中进行插入操作，否则进行链表的插入操作，如果遍历过程中发现相同的node，则直接覆盖。从源码中我们可以看到，从JDK8开始，链表的插入方法由头插法改成了尾插法。
6. 插入成功后（这里的插入指之前 i 索引处无 node时插入），判断实际存在的键值对数量是否超过了最大容量 threshold，如果超过，进行扩容。

resize 方法

/**
 * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
 * accord with initial capacity target held in field threshold.
 * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
 * elements from each bin must either stay at same index, or move
 * with a power of two offset in the new table.
 *
 * @return the table
 */
final Node<K,V>[] resize() {
  Node<K,V>[] oldTab = table;
  int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
  int oldThr = threshold;
  int newCap, newThr = 0;
  if (oldCap > 0) {
    // 当数组容量达到最大时不再扩容
    if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
      threshold = Integer.MAX_VALUE;
      return oldTab;
    }
    else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
             oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
      newThr = oldThr << 1; // double threshold
  }
  else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
    newCap = oldThr;
  // 创建 hashMap 之后第一次put
  else {               // zero initial threshold signifies using defaults
    newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
  }
  if (newThr == 0) {
    float ft = (float)newCap * loadFactor;
    newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
              (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
  }
  threshold = newThr;
  @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
  Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
  table = newTab;
  // 循环遍历老map中的元素，迁移到对应新数组中去，进行扩容操作
  if (oldTab != null) {
    for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
      Node<K,V> e;
      if ((e = oldTab[j]) != null) {
        // 老数组中元素引用置为null
        oldTab[j] = null;
        // 该索引只有一个元素，则直接计算新索引将 e 复制到新数组
        if (e.next == null)
          newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
        // 如果是红黑树
        else if (e instanceof TreeNode)
          ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
        // 如果该所以链表由多个值
        else { // preserve order
          Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
          Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
          Node<K,V> next;
          do {
            next = e.next;
            // 这里通过当前hash与数组长度进行逻辑与操作，判断是否为0，来区分该元素是不变位置还是需要重新更换位置
            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
              if (loTail == null)
                loHead = e;
              else
                loTail.next = e;
              loTail = e;
            }
            else {
              if (hiTail == null)
                hiHead = e;
              else
                hiTail.next = e;
              hiTail = e;
            }
          } while ((e = next) != null);
          if (loTail != null) {
            loTail.next = null;
            newTab[j] = loHead;
          }
          if (hiTail != null) {
            hiTail.next = null;
            // 现有index+现有数组的长度就是新数组中的索引位置
            newTab[j + oldCap] = hiHead;
          }
        }
      }
    }
  }
  return newTab;
}

分析以上代码可以得出如下结论：

• 新建一个 HashMap 对象后，第一次 put 会触发 resize 操作，此时会用 threshold(初始threshold为12) 来初始化 capacity (line 687 newCap = oldThr;)
• 当当前数组长度 >= 16 时，数组会扩容为原来的两倍（newCap = oldCap << 1`` newThr = oldThr << 1）
• 扩容时不会重新计算hash值，hash值保存在 Node 对象中，只会改变 Node 对象在数组中的索引
• 扩容时，现有元素要么不动，要么索引变为原来索引 + 原来数组长度
• 扩容时判断元素是否移动是通过 (e.hash & oldCap) == 0，下面举例说明

我们以 map.put("a1","a");为例， a1 计算后的hash值为3056，经过计算，初始化时 a1存在数组的0索引处

初始化数组长度为16， 16 – 1 = 15 对应的二进制	00000000 00001111
3056对应的二进制	00001011 11110000
3056 & 15	00000000 00000000

扩容后，数组长度变为32，此时计算 (e.hash & oldCap)

数组初始化长度16	00000000 00010000
3056 二进制值	00001011 11110000
3056 & 16	00000000 00010000

可以 看到结果不为0， 说明 a1 需要迁移，我们来计算一下迁移后的新位置索引

扩容后数组长度为32， 32 – 1 = 31 二进制值	00000000 00011111
3056 二进制值	00001011 11110000
31 & 3056	00000000 00010000

我们可以看到计算出的索引为16，正好等于j + oldCap (0 + 16)，因为扩容后，31 相对于 15 在高位多了一个 1， 此时只要通过 (e.hash & oldCap) 计算出该高位多出的 1 对索引的影响是0还是2的指数即可，是0的话索引不变，不为0则变成 原索引+oldCap，因此扩容时node 要么不变，要么就移动2的指数。

注意：

**JDK7中HashMap使用了链表的头插法，在多线程环境下容易出现死循环，JDK8以后才有尾插法，不存在这个问题。**具体可看这篇 面试官： HashMap 为什么线程不安全？

treeifyBin 方法

/**
 * Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
 * table is too small, in which case resizes instead.
 */
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
  int n, index; Node<K,V> e;
  // 如果table为null或者长度小于64时不转换为红黑树，此时进行扩容
  if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
    resize();
  // 如果数组该索引的元素不为null
  else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
    TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
    // 循环遍历链表，将链表转为红黑树
    do {
      // 根据链表的 node 创建 TreeNode
      TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
      if (tl == null)
        hd = p;
      else {
        p.prev = tl;
        tl.next = p;
      }
      tl = p;
    } while ((e = e.next) != null);
    if ((tab[index] = hd) != null)
      hd.treeify(tab);
  }
}

我们可以看到这里用到了 MIN_TREEIFY_CAPACITY(64) 参数，如果链表长度大于等于8，但是Node数组长度小于64，此时不会转为红黑树，而是进行 resize() 扩容，红黑树虽然查询时间复杂度为O(logN)，但是空间占用大HashMap的设计是尽量不用红黑树。

get 方法

public V get(Object key) {
  Node<K,V> e;
  return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
  // 判断table不为null，且table长度大于0，且对应索引的第一个node不为null
  if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
      (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
    if (first.hash == hash && // always check first node
        ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      return first;
    if ((e = first.next) != null) {
      if (first instanceof TreeNode)
        return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
      do {
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          return e;
      } while ((e = e.next) != null);
    }
  }
  return null;
}

通过源码我们整理出 get 的步骤大致如下：

• 判断table不为null，且table长度大于0，且对应索引的第一个node不为null，如果不满足直接返回null
• 判断通过key计算出的hash与当前索引第一个节点的hash是否相同，并且key是否相同（满足equals方法或者引用相同），相同则返回当前第一个节点，不同继续下面的步骤。
• 若第一个节点first为红黑树，则用红黑树算法取对应value，若是链表，则循环链表，按照上面同样的方法，想比较hash是否相同，在比较key是否相同。

红黑树查询时间复杂度：O(logN)

链表查询时间复杂度：O(N)

fail fast

Note that the fail-fast behavior of an iterator cannot be guaranteed as it is, generally speaking, impossible to make any hard guarantees in the presence of unsynchronized concurrent modification. Fail-fast iterators throw ConcurrentModificationException on a best-effort basis. Therefore, it would be wrong to write a program that depended on this exception for its correctness: the fail-fast behavior of iterators should be used only to detect bugs.