HashMap|HashMap 源码逐行分析，j + oldCap 桶位置重分配公式手写验证 HashMap源码逐行分析，j+oldCap桶

说明本文基于 jdk 8 编写。
HashMap 的结构
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图中的数组是 table 属性，hashMap 基础的属性。一个数组，用于承载 node，table 的每一个格被称为桶。
node 是 hashMap 中基础的 node 节点，用于存储 key, value。
桶位置计算的公式是 (n - 1) & hash，n 指 table 的长度，hash 指 key 的 hash 值。
桶位置计算时有可能出现 hash 冲突的现象，在 jdk 1.7 及之前采用的是把 node 拼接成链表的方式。但如果 hash 冲突严重，桶位置上的链表会很长，影响查询性能。从 jdk 1.8 开始，改成了链表 + 红黑树的方式，在一个桶位置上元素很多的情况下，树的查询效率优于链表。

关键属性 table

/** * 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.) * * hashMap 基础的属性。一个数组，用于承载 node，table 的每一个格被称为桶 */ transient Node[] table;

Node

/** * Basic hash bin node, used for most entries.(See below for * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.) * * hashMap 中基础的 node 节点，用于存储 key, value */ static class Node implements Map.Entry { final int hash; final K key; V value; Node next; }

modCount
这个属性与理解 HashMap 的核心流程无关，如果读者只关心核心流程，可以不用关注。

/** * 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). * * 用于记录修改次数，每次增删改时会维护它的值 * 在一个迭代器开始的时候，会把 modCount 用一个局部变量 mc 记录下来。迭代器遍历完成后，如果发现 modCount 和 mc 不相同，说明迭代期间 hashMap 进行过修改，则抛出异常。 * 关于迭代器遍历，可以看一下 EntrySet 内部类的 forEach 方法 */ transient int modCount;

关于迭代器遍历，可以看一下 EntrySet 内部类的 forEach 方法。

/** * 请注意，源码里 EntrySet 的其他成员属性和成员方法，这里不作展示 */ final class EntrySet extends AbstractSet> { public final void forEach(Consumer> action) { Node[] tab; if (action == null) throw new NullPointerException(); if (size > 0 && (tab = table) != null) { // 把 modCount 用一个局部变量 mc 记录下来 int mc = modCount; for (int i = 0; i < tab.length; ++i) { for (Node e = tab[i]; e != null; e = e.next) action.accept(e); } // 迭代器遍历完成后，如果发现 modCount 和 mc 不相同，说明迭代期间 hashMap 进行过修改，则抛出异常。 if (modCount != mc) throw new ConcurrentModificationException(); } } }

threshold 扩容阈值

/** * The next size value at which to resize (capacity * load factor). * * 扩容阈值，由 capacity * loadFactor 得到。决定何时 hashMap 执行 resize 方法扩容 * * @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;

loadFactor 加载因子

/** * The load factor for the hash table. * * 加载因子，决定了 hashMap 实际能存储的元素容量 * * @serial */ final float loadFactor; /** * The load factor used when none specified in constructor. * * 默认的 loadFactor 加载因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

加载因子是表示 HashMap 中元素的填满的程度。加载因子的目的是，为了降低 HashMap 中的 hash 冲突几率，防止大量 node 都因为 hash 冲突变成了链表或树，同时平衡占用的空间开销。
加载因子越大，填满的元素越多。优点是，空间利用率高了。缺点是，hash 冲突的机会加大了。
加载因子越小，填满的元素越少。优点是，冲突的机会减小了。缺点是，空间浪费多了。
默认的加载因子 DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f 算是在 hash 冲突几率与空间开销间做了取舍平衡。
构造方法

/** * Constructs an empty HashMap with the specified initial * capacity and the default load factor (0.75). * * @paraminitialCapacity the initial capacity. 初始容量，由 capacity * loadFactor 可以得到扩容阈值 threshold * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative. */ public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); }

我们可以注意到，HashMap 里并没有 capacity 这个属性，我们在构造方法中传入的 capacity，其实会经过 capacity * loadFactor 计算，得到扩容阈值 threshold。
put 方法

/** * Associates the specified value with the specified key in this map. * If the map previously contained a mapping for the key, the old * value is replaced. * * put 方法，调用 Val 给指定的 key 添加对应的 value * * @param key key with which the specified value is to be associated * @param value value to be associated with the specified key * @return the previous value associated with key, or *null if there was no mapping for key. *(A null return can also indicate that the map *previously associated null with key.) */ public V put(K key, V value) { // 第一个 boolean false 表示：当要 put 的 key 在 hashMap 中已存在时，会直接覆盖原有 value。第二个 boolean true 不用关心，与主流程无关。 return putVal(hash(key), key, value, false, true); }

putVal

/** * Implements Map.put and related methods. * * @param hash hash for key * @param key the key * @param value the value to put * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value如果目标 key 在 hashMap 中已经存在，则不会覆盖原有的 value * @param evict if false, the table is in creation mode. 不用关心，与主流程无关 * @return previous value, or null if none */ final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node[] tab; Node p; int n, i; // 如果 table 还没有初始化，则初始化 table if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // 桶位置计算公式: (n - 1) & hash。如果定位到的桶位置为空，则把 node 插入桶位置。p 指向桶位置 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // 桶位置不为空，说明出现 hash 碰撞，走 else 分支 else { Node e; K k; // 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断桶位置上的 key 是否相同。如果相同则用 e 指向这个节点 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; // 判断桶位置上是否是一棵树，如果是一棵树，则调用树添加元素的方法，然后用 e 指向树上的这个节点 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); // 不是树，则说明是链表 else { // 迭代链表，binCount 是链表长度计数 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 用 e 指向本次迭代的当前元素。如果本次迭代，当前元素为空，即到达了链表的尾部 if ((e = p.next) == null) { // 向链表尾部追加 node p.next = newNode(hash, key, value, null); // 如果链表长度达到了阈值，把链表转换成树。链表转换树的阈值无法修改，因为是 final 修饰的。 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } // 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断本次迭代的 key 是否相同。如果相同则用 e 指向这个节点。然后停止迭代链表。 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; // 维护当前元素，准备下一次迭代 p = e; } } // 如果 e 不为空，说明要添加的 key 原先已存在于这个桶位置上，覆盖原有 value。这里体现了 hashMap 的 onlyIfAbsent 选项为 false 时，出现 key 相同时，会直接覆盖原有 value if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = https://www.it610.com/article/e.value; // onlyIfAbsent 选项为 false 时，或原有 value 为 null 时，会直接覆盖原有 value if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; // 这个方法不用关心。留给 LinkedHashMap 回调用。 afterNodeAccess(e); // 返回原有的 value return oldValue; } } // 维护修改次数计数 ++modCount; // 如果达到了扩容阈值，则 resize if (++size> threshold) resize(); // 这个方法不用关心。留给 LinkedHashMap 回调用。 afterNodeInsertion(evict); // 没有找到 key 对应的 value，返回 null return null; }

有一个细节，链表转换树的阈值 TREEIFY_THRESHOLD 无法修改，因为是 final 修饰的，之前面试被问到过。

/** * 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. * * 链表转换树的阈值，无法修改，因为是 final 修饰的 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

get 方法

/** * Returns the value to which the specified key is mapped, * or {@code null} if this map contains no mapping for the key. * * More formally, if this map contains a mapping from a key * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null : * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise * it returns {@code null}.(There can be at most one such mapping.) * * 【HashMap|HashMap 源码逐行分析，j + oldCap 桶位置重分配公式手写验证】A return value of {@code null} does not necessarily * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}. * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to * distinguish these two cases. * * @see #put(Object, Object) */ public V get(Object key) { Node e; // 根据指定的 key 查找 node，返回 node 的 value return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; }

getNode

/** * Implements Map.get and related methods. * * 根据指定的 key，查找 node * * @param hash hash for key * @param key the key * @return the node, or null if none */ final Node getNode(int hash, Object key) { Node[] tab; Node first, e; int n; K k; // 如果 table 不为空，且根据 key 对应到的桶位置不为空 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断桶位置上的 key 是否相同 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 和目标 key 相同，返回当前节点 return first; // 桶位置不为空，说明可能存在 hash 碰撞，判断桶位置上的元素是否有下一个节点 if ((e = first.next) != null) { // 判断桶位置上是否是一棵树，如果是一棵树，则调用树查找元素的方法 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key); // 不是树，则说明是链表，迭代链表 do { // 通过 key 的 hash 值和 equals 方法判断本次迭代的 key 是否相同 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 和目标 key 相同，返回当前节点 return e; } while ((e = e.next) != null); } } // 没有找到 key 对应的元素，返回 null return null; }

resize 方法常见的执行 resize() 方法的两种情况
在 HashMap 的 putVal 方法中，如果 table 未初始化，则会执行resize()，然后就初始化table。初始化 table 由 resize 负责。

// 如果 table 还没有初始化，则初始化 table if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length;

在 HashMap 的 putVal 方法中，存储的数据量大于 threshold 时，会执行 resize() 方法。

// 如果 hashMap 中的元素数量达到了扩容阈值，则 resize if (++size > threshold) resize();

在putVal()方法中，size表示当前HashMap的数据量，如果size大于threshold,则会执行该方法，进行扩容操作。
resize 方法源码

/** * 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. * * 初始化 hashMap 或给 hashMap 的 table 扩容两倍 * * @return the table */ final Node[] resize() { // oldTab 指向旧 table Node[] oldTab = table; // 旧 table 的长度 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldThr 表示旧的扩容阈值 threshold。threshold = 数组长度 * 负载因子 int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { // 当旧 table 的长度大于最大容量时的处理 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 如果旧的数组长度 * 2 后小于 int 的最大值，并且旧的数组长度大于 16 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) // 扩容阈值 * 2 newThr = oldThr << 1; // double threshold } // 如果旧的 threshold 大于 0，初始容量设置为旧的 threshold。这里在 table 初始化时会用到 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; // 扩容阈值为 0 表示使用默认值，DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16，DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75，因此默认的扩容阈值为 12 else {// zero initial threshold signifies using defaults newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } // 扩容阈值为 0 时的边界条件处理 if (newThr == 0) { float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } // 将计算后得出的阈值赋值给 threshold 属性 threshold = newThr; // 不用关心这个注解。这个注解在屏蔽一些无关紧要的警告，使开发者能看到一些他们真正关心的警告，降低开发者的心智负担。 // 创建一个新的 table，供扩容后使用 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap]; // 把新 table 赋值给 hashMap 的属性 table = newTab; // 如果旧 table 不为空，开始扩容 if (oldTab != null) { // 迭代遍历旧 table for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node e; // e 指向当前桶位置的元 node，当前桶位置的 node 不为空时 if ((e = oldTab[j]) != null) { // 清空旧 table 的当前桶位置 oldTab[j] = null; if (e.next == null) // 如果当前桶位置的 node 不是链表不是红黑树，则根据桶位置计算公式，重新分配 node 的桶位置 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; // 如果当前桶位置的 node 是树，则使用树的方式，把旧树上的 node，重新分配到新的树中 else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap); // 不是树，则是链表 else { // preserve order // 把链表中的所有节点分成两条链表 // 一条链表的 node 是不需要更换 table 下标的 Node loHead = null, loTail = null; // 一条链表的 node 是需要更换 table 下标的 Node hiHead = null, hiTail = null; Node next; // 迭代遍历链表 do { next = e.next; // 如果 e.hash & oldCap 进行二进制与运算，算出的结果为 0，即说明该 node 所对应的数组下标不需要改变。把该 node 追加到 loHead 链表上 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } // 否则说明该 node 所对应的数组下标需要改变。把该 node 追加到 hiHead 链表上 else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); // 如果不需要更换 table 下标的 node 链表 -- loTail 不为空，则把 loTail 放在当前桶位置上 if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } // 如果需要更换 table 下标的 node 链表 -- hiTail 不为空，则把 hiTail 放到新的桶位置上。并且计算公式是把当前 table 下标直接 + 旧 table 的长度 if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } // 返回新创建的 table return newTab; }

两个个公式 (e.hash & oldCap) == 0 判断是否需要重新分配桶位置 e 是当前 node，oldCap 是旧数组的长度。这个公式算出的结果为 0，说明该 node (即 e)所对应的数组下标不需要改变。结果不为 0，说明该 node 所对应的数组下标需要改变。
(e.hash & oldCap) == 0 为什么能判断出是否需要重新分配桶位置？
这个公式是推导出来的，推导过程是数学，我们不需要关注。如果想了解此公式的推导请见：HashMap扩容时的rehash方法中(e.hash & oldCap) == 0算法推导
j + oldCap 桶位置重分配公式 j 是 node 的旧桶位置，oldCap 是旧 table 的长度。即旧桶位置 + 旧 table 的长度。得到这个公式的运算结果，是扩容后该元素的新桶位置。可以理解为是桶位置重新分配的公式。
为什么这样能得到呢？我们来举例回答一下。
现在我们有一个 node key 的 hash 值是 9，对应的二进制位。旧 table 的长度 oldCap 是 8，新 table 的长度 newCap 是 16。以下是手写演算验证：

HashMap|HashMap 源码逐行分析，j + oldCap 桶位置重分配公式手写验证

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为什么 HashMap 扩容是 2 倍？通过本文桶位置重新分配的公式 j + oldCap 手写验证，我们可以看出，当 HashMap 扩容两倍的时候，刚好可以用到桶位置重新分配的公式 j + oldCap，加快计算重分配后的桶位置。同时，newCap = oldCap << 1 新 table 长度 = 旧 table 长度在二进制上左移一位，这样的位运算也很高效。
其实这里扩容倍数和桶位置重分配公式的配合，能体现出作者缜密的思考和深厚的数学功底。