深入探索Java HashMap底层源码：结构、原理与优化

HashMap是Java集合框架中最常用的数据结构之一，它基于哈希表实现，具备快速的插入、删除和查找操作。本文将详细解析HashMap的底层实现，包括其数据结构、主要方法及其工作原理，并探讨一些常见问题和优化策略。

一、HashMap的数据结构

HashMap内部主要通过数组和链表（在Java 8之后引入了红黑树）来存储数据。其基本结构如下：

1. 数组（table）：存储哈希桶（bucket）的数组，数组中的每个元素是一个链表或红黑树的头节点。
2. 链表：解决哈希冲突的主要方式，多个键值对可能存储在同一个桶中。
3. 红黑树：当链表长度超过一定阈值（默认为8）时，链表转换为红黑树，以提升性能。

   transient Node[] table; // 存储桶的数组
   transient int size; // 当前HashMap中的键值对数量
   transient int modCount; // 结构修改次数
   int threshold; // 阈值，table扩容的临界点
   final float loadFactor; // 负载因子
   

   二、构造函数

   HashMap提供了多个构造函数，常用的有以下两个：

   public HashMap() {
       this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 默认负载因子0.75
   }
   public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
       if (initialCapacity  MAXIMUM_CAPACITY)
           initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
       if (loadFactor = TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                           treeifyBin(tab, hash);
                       break;
                   }
                   if (e.hash == hash &&
                       ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                       break;
                   p = e;
               }
           }
           if (e != null) {
               V oldValue = e.value;
               if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                   e.value = value;
               afterNodeAccess(e);
               return oldValue;
           }
       }
       ++modCount;
       if (++size > threshold)
           resize();
       afterNodeInsertion(evict);
       return null;
   }
   

   putVal方法先计算键的哈希值，然后确定其在数组中的位置。如果该位置为空，直接插入；否则，通过链表或红黑树处理哈希冲突。

4. get方法

5. get方法用于根据键查找对应的值：

   public V get(Object key) {
       Node e;
       return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
   }
   final Node getNode(int hash, Object key) {
       Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
       if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
           (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
           if (first.hash == hash && 
               ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
               return first;
           if ((e = first.next) != null) {
               if (first instanceof TreeNode)
                   return ((TreeNode)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;
   }
   

   getNode方法根据键的哈希值定位到数组中的位置，然后在对应的链表或红黑树中查找匹配的节点。

6. resize方法

7. resize方法用于扩容数组，当数组中的键值对数量超过阈值时触发：

   final Node[] resize() {
       Node[] oldTab = table;
       int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
       int oldThr = threshold;
       int newCap, newThr = 0;
       if (oldCap > 0) {
           if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
               threshold = Integer.MAX_VALUE;
               return oldTab;
           }
           else if ((newCap = oldCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
               newThr = oldThr  0)
           newCap = oldThr;
       else {
           newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
           newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
       }
       if (newThr == 0) {
           float ft = (float)newCap * loadFactor;
           newThr = (newCap  
   resize方法通过创建一个新的更大的数组，并将旧数组中的元素重新分配到新数组中。旧数组中的元素要么保持在原位置，要么移动到新位置（索引加上旧容量）。
    
   四、红黑树的引入
    
   在Java 8中，引入了红黑树以优化链表的性能。当一个桶中的节点数量超过阈值（8个）时，链表将转换为红黑树：
    
   final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) {
       int n, index; Node e;
       if (tab == null || (n = tab.length)