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。
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）：
/**
* 默认的初始容量，必须是2的幂。
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* 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）
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 默认装载因子，这个后面会做解释
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 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
*/
transient Entry[] table;
/**
* map中保存的键值对的数量
*/
transient int size;
/**
* 需要调整大小的极限值（容量*装载因子）
*/
int threshold;
/**
*装载因子
*/
final float loadFactor;
/**
* map结构被改变的次数
*/
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
K getKey();//获取Key
V getValue();//获取Value
V setValue();//设置Value，至于具体返回什么要看具体实现
boolean equals(Object o);//定义equals方法用于判断两个Entry是否相同
int hashCode();//定义获取hashCode的方法
HashMap.Entry类的具体实现
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
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？！）
final int hash;//哈希值
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;//返回的是之前的Value
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))//先判断类型是否一致
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
// Key相等且Value相等则两个Entry相等
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;
}
// hashCode是Key的hashCode和Value的hashCode的异或的结果
public final int hashCode() {
return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^
(value==null ? 0 : value.hashCode());
}
// 重写toString方法，是输出更清晰
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
*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？）
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* 当Entry被从HashMap中移除时被调用（为什么没有内容？）
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}
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()
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。
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);
}
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。
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
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。
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);
}
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。
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
// 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。
// 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
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
// 创建新数组，容量为指定的容量
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
// 设置下一次需要调整数组大小的界限
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
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。
void transfer(Entry[] newTable) {
// 保留原数组的引用到src中，
Entry[] src = table;
// 新容量使新数组的长度
int newCapacity = newTable.length;
// 遍历原数组
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
// 获取元素e
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
// 将原数组中的元素置为null
src[j] = null;
// 遍历原数组中j位置指向的链表
do {
Entry<K,V> next = e.next;
// 根据新的容量计算e在新数组中的位置
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
// 将e插入到newTable[i]指向的链表的头部
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
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。
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
int numKeysToBeAdded = m.size();
if (numKeysToBeAdded == 0)
return;
// 为什么判断条件是numKeysToBeAdded，不是(numKeysToBeAdded+table.length)>threshold???
if (numKeysToBeAdded > threshold) {
int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int newCapacity = table.length;
while (newCapacity < targetCapacity)
newCapacity <<= 1;
if (newCapacity > table.length)
resize(newCapacity);
}
for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
put(e.getKey(), e.getValue());
}
}
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。
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;
}
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。
private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
}
}
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。
private void putForCreate(K key, V value) {
int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k)))) {
e.value = value;
return;
}
}
createEntry(hash, key, value, i);
}
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。
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
size++;
}
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。
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;
}
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。
private V getForNullKey() {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
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。
public boolean containsKey(Object key) {
return getEntry(key) != null;
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
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。
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;
}
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;
}
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)
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
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)
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;
}
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()
public void clear() {
modCount++;
Entry[] tab = table;
for (int i = 0; i < tab.length; i++)
tab[i] = null;
size = 0;
}
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()
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
return entrySet0();
}
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
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：
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。
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
public boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
return candidate != null && candidate.equals(e);
}
public boolean remove(Object o) {
return removeMapping(o) != null;
}
public int size() {
return size;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
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()
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
}
是不是和entrySet0()方法很像！
private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public Iterator<K> iterator() {
return newKeyIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsKey(o);
}
public boolean remove(Object o) {
return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
同样是个代理类，contains、remove、clear方法都是调用的HashMap的方法。
values()
public Collection<V> values() {
Collection<V> vs = values;
return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
}
private final class Values extends AbstractCollection<V> {
public Iterator<V> iterator() {
return newValueIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsValue(o);
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
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。