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一、HashMap 概述

• 作用：以键值对（key-value）形式存储数据，允许快速插入、查找和删除。
• 特点：
  • 键唯一，值可以重复
  • 允许 null 键和 null 值（但只能有一个 null 键）
  • 元素无序（不是按照插入顺序排列）

二、内部数据结构

1. 基本结构

HashMap 本质上是一个数组 + 链表 + 红黑树的组合结构。

• 数组：主结构，存储桶（Node[] table）
• 链表：解决哈希冲突，当多个键的哈希值相同，放在同一个桶里形成链表
• 红黑树：当链表长度超过阈值（8），自动转为红黑树，提高查找效率

2. Node 节点结构

每个桶数组元素是一个 Node，Node 定义如下：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; // 哈希值 final K key; // 键 V value; // 值 Node<K,V> next; // 下一个节点（链表指针） }

三、核心原理

1. 存储过程

1. 计算 key 的 hashCode
2. 通过扰动函数和数组长度取模，定位到桶的下标
3. 如果该桶为空，直接插入
4. 如果不为空（有冲突），遍历链表/树，找到相同 key 就覆盖，否则插入链表尾部或树中

2. 取值过程

1. 通过 key 的 hashCode 定位桶
2. 遍历链表/树，找到相同 key 返回 value

3. 扩容机制

• 默认初始容量 16，负载因子 0.75
• 当实际元素数量超过容量 × 负载因子时，自动扩容为原来的两倍（重新分散所有节点）
• 扩容时会重新计算所有节点的桶下标

四、常用方法

• put(K key, V value)：插入/更新键值对
• get(Object key)：根据键查找值
• remove(Object key)：删除指定键
• containsKey(Object key)：判断是否包含某个键
• containsValue(Object value)：判断是否包含某个值
• size()：元素个数
• isEmpty()：是否为空
• clear()：清空所有元素

五、性能分析

• 查找/插入/删除：理想情况下 O(1)，但哈希冲突严重时变成 O(n)，红黑树优化后变为 O(log n)
• 扩容代价：扩容时需要重新分配和迁移所有元素，代价较高

六、线程安全性

• HashMap不是线程安全的，多个线程同时操作可能导致数据错乱
• 如果需要线程安全，可以用Collections.synchronizedMap(new HashMap<>())或ConcurrentHashMap

七、示例代码

Map<String, Integer> map = new HashMap<>(); map.put("apple", 1); map.put("banana", 2); map.put("orange", 3); System.out.println(map.get("banana")); // 输出 2 map.remove("apple"); System.out.println(map.containsKey("apple")); // 输出 false

八、常见面试问题

1. HashMap 的底层结构？
2. 如何解决哈希冲突？
3. 为什么要有红黑树？什么时候转换？
4. 为什么不是线程安全？怎么保证线程安全？
5. HashMap 的扩容机制和负载因子作用？

九、HashMap 的哈希算法细节

1. hashCode 与扰动函数

• 每个 key 都有自己的hashCode()方法，HashMap 先调用 key 的hashCode()，然后再用扰动函数进一步处理，以减少哈希冲突。

• 典型扰动函数（JDK8）：

  static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }

  这个操作将高位和低位混合，提高随机性，减少碰撞。

2. 数组下标定位

• 下标定位公式：index = (n - 1) & hash，n 为数组长度，& 是位运算，比取模更快。

十、红黑树转化条件

• 当某个桶中的链表长度超过8（JDK8），并且数组长度大于64时，链表会转化为红黑树，提高查询效率。
• 如果扩容后链表长度小于 6，会退回链表结构。

十一、扩容时机与过程

1. 扩容时机

• 当元素个数size超过capacity * loadFactor时触发扩容。
• 默认初始容量 16，负载因子 0.75，即超过 12 个元素时扩容。

2. 扩容过程

• 新建一个容量为原来的两倍的数组。
• 重新分配所有节点到新数组（重新计算哈希下标）。
• 红黑树节点也会被拆分。

扩容是一个耗时操作，频繁扩容会影响性能，建议初始化时合理设置容量。

十二、常见问题与面试陷阱

1. HashMap 为什么不是线程安全？

• 多线程同时 put/remove，可能导致数据丢失、死循环（JDK7）、链表丢失等问题。

2. HashMap 的死循环问题（JDK7）

• JDK7 的扩容采用头插法，极端情况下可能链表反转成环，导致死循环。JDK8 改为尾插法解决此问题。

3. 为什么建议设置初始容量？

• 如果预计元素较多，建议设置初始容量，减少扩容次数，提升性能。

4. null 键和 null 值的处理

• 允许一个 null 键，多个 null 值。
• 但在实际开发中，建议避免使用 null 键，以免潜在异常。

十三、与其他 Map 的对比

十四、HashMap 源码简要解析（JDK8）

1. put 方法核心流程

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

• 计算 hash
• 判断是否需要扩容
• 找到桶下标
• 遍历链表/树，插入或覆盖

2. get 方法核心流程

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

• 计算 hash
• 定位桶
• 遍历链表/树查找 key

十五、HashMap 使用建议

1. 预计数据量大时，指定初始容量，如new HashMap<>(1000)。
2. 尽量避免使用 null 作为 key。
3. 多线程场景用ConcurrentHashMap替代。
4. 不要在 key 的equals或hashCode方法中依赖可变属性。
5. 不要频繁扩容，合理设置负载因子。

十六、典型应用场景

• 缓存（如本地缓存、LRU 缓存）
• 数据索引（如数据库索引、分组统计）
• 配置映射（如配置项存储、参数映射）

十七、总结

HashMap 是高效、灵活的键值对存储结构，广泛用于缓存、数据索引等场景。掌握其原理有助于编写高效且健壮的 Java 代码。

HashMap 是 Java 集合中最常用、最重要的 Map 实现之一。理解其底层原理、扩容机制、冲突处理、红黑树优化等，有助于写出高效且健壮的代码。面试、工作中常考，建议多结合源码和实际场景理解其设计哲学。