Java HashMap从源码到核心机制实现原理深度解析

// 普通链表节点
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;    // key的哈希值（经过扰动处理）
    final K key;       // 键
    V value;           // 值
    Node<K,V> next;    // 下一个节点引用

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

// 红黑树节点（继承自Node）
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // 父节点
    TreeNode<K,V> left;    // 左子节点
    TreeNode<K,V> right;   // 右子节点
    TreeNode<K,V> prev;    // 前驱节点
    boolean red;           // 红黑树颜色标记
    TreeNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }
}

static final int hash(Object key) {
    int h;
    // key为null时hash为0，所以HashMap允许key为null
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

// n为数组长度（必须是2的幂）
int index = (n - 1) & hash;

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold; // 扩容阈值（负载因子×容量）
    int newCap, newThr = 0;

    if (oldCap > 0) {
        // 超过最大容量（2^30），不再扩容
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 容量翻倍，阈值也翻倍
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) {
            newThr = oldThr << 1;
        }
    }
    // 初始化容量（首次put时）
    else if (oldThr > 0) newCap = oldThr;
    else {
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; // 16
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); // 12
    }

    // 创建新数组，迁移旧节点
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                // 单个节点，直接迁移
                if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                // 红黑树节点，拆分迁移
                else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                // 链表节点，按新索引拆分（JDK 8优化点）
                else {
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null; // 索引不变的节点
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; // 索引=原索引+旧容量的节点
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) { // 索引不变
                            if (loTail == null) loHead = e;
                            else loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        } else { // 索引=j+oldCap
                            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;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

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. 数组未初始化/长度为0，先扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) {
        n = (tab = resize()).length;
    }
    // 2. 计算索引，若桶为空，直接创建新节点
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) {
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    } else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 3. 桶中节点的key与当前key相同，直接覆盖value
        if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
            e = p;
        }
        // 4. 桶中是红黑树节点，调用红黑树插入方法
        else if (p instanceof TreeNode) {
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        }
        // 5. 桶中是链表节点，遍历链表
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 链表尾部，插入新节点
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 链表长度≥8，触发红黑树转换
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) {
                        treeifyBin(tab, hash);
                    }
                    break;
                }
                // 找到相同key，跳出循环（后续覆盖value）
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                    break;
                }
                p = e;
            }
        }
        // 6. 存在相同key，覆盖value并返回旧值
        if (e != null) {
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) {
                e.value = value;
            }
            afterNodeAccess(e); // 空方法，LinkedHashMap重写
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount; // 快速失败（fail-fast）标记
    // 7. 元素数量超过阈值，触发扩容
    if (++size > threshold) {
        resize();
    }
    afterNodeInsertion(evict); // 空方法，LinkedHashMap重写
    return null;
}