引言
HashMap是Java中常用的集合類，用于存儲鍵值對。其底層實現經過多次優化，包括哈希算法、數組擴容、鏈表轉紅黑樹等。本文將深入研究HashMap的底層原理，并詳細探討如何解決哈希碰撞的技術。
1. 哈希算法
HashMap的核心是哈希算法，它通過將鍵的哈希碼映射到數組索引，實現快速的數據查找和插入。在JDK 1.8中，哈希算法經過了一些優化，以提高均勻性和減少碰撞的可能性。
2. 數組與鏈表結構
HashMap的底層數據結構是一個數組，每個數組元素是一個鏈表（或紅黑樹）。當多個鍵映射到相同的索引位置時，它們將被存儲在同一個鏈表中。為了解決哈希碰撞，鏈表中存儲的是一個個鍵值對。
3. 鍵值對的存儲
在HashMap中，鍵值對以Node對象的形式存儲。每個Node包含鍵、值、哈希碼以及指向下一個Node的引用。當產生哈希沖突時，新的Node將被添加到鏈表的末尾。
4. 解決哈希碰撞的方法
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鏈地址法:當發生哈希沖突時,將沖突的元素以鏈表的形式鏈接在一起,同一個鏈表上的元素哈希值相同。
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紅黑樹:當鏈表長度超過一定閾值(默認為8)時,鏈表會轉換為紅黑樹,可以減少查找時間。因為紅黑樹的時間復雜度為O(logn),而鏈表為O(n)。
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擴容rehash:當HashMap中的元素數量太多,超過數組大小*加載因子時,會發生擴容。擴容后,需要對原數組中的所有元素重新計算哈希值,然后放到新的擴容后的數組中,這樣可以增加鏈表長度,減少哈希沖突。
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優化哈希算法:JDK 1.8中優化了哈希算法,通過hashCode()的高16位異或低16位實現的:(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16),提高了哈希碰撞分布性。
所以Java 8中HashMap主要通過鏈地址法+紅黑樹+擴容rehash+優化哈希算法來解決哈希沖突。這些方法相結合可以有效地解決哈希沖突問題,提高HashMap的性能。
5. 數組擴容機制
當HashMap中的元素數量超過容量乘以加載因子時，數組會被擴容。在JDK 1.8中，默認加載因子是0.75。擴容涉及到重新計算哈希碼、重新分配數組，并將現有元素重新放置到新的數組中。這確保了HashMap的性能和空間的平衡。
6. 紅黑樹的引入
為了應對鏈表過長的情況，JDK 1.8引入了紅黑樹。當鏈表長度達到8時，鏈表將被轉換為紅黑樹，以提高查找效率。紅黑樹的引入使得在最壞情況下，查找時間復雜度從O(n)降低到O(log n)。
為什么當鏈表長度達到8時，鏈表將被轉換為紅黑樹，又為什么紅黑樹轉鏈表的閾值為6？
首先和hashcode碰撞次數的泊松分布有關,主要是為了實現時間和空間的平衡，在負載因子為0.75默認情況下，單個hash槽內元素個數為8的概率小于百萬分之一，將7作為一個分水嶺，等于7時不做轉換，大于等于8才轉紅黑樹，小于等于6才轉鏈表，鏈表中元素個數為8時的概率已經非常小，再多的就更少了，所以原作者在選擇鏈表元素個數時選擇了8，是根據概率統計而選擇的，紅黑樹中的TreeNode，是鏈表中的Node所占空間的2倍，雖然紅黑樹的查找效率為o(logN)，要優于鏈表的o(N)，但是當鏈表長度比較小的時候，即使全部遍歷，時間復雜度也不會太高，所以，要尋找一種時間和空間的平衡，即在鏈表長度達到一個閾值，之后再轉換為紅黑樹，之所以是8，是因為Java的源碼貢獻者，在進行大量實驗發現，hash碰撞發生8次的概率，已經降低到了0.00000006，幾乎為不可能事件，如果真的碰撞發生了8次，那么這個時候說明由于元素，本身和hash函數的原因，此次操作的hash碰撞的可能性非常大了，后序可能還會繼續發生hash碰撞，所以，這個時候，就應該將鏈表轉換為紅黑樹了，也就是為什么鏈表轉紅黑樹的閾值是8；
最后，紅黑樹轉鏈表的閾值為6，主要是因為：如果也將該閾值設置于8，那么當hash碰撞在8時，會反生鏈表和紅黑樹的不停相互激蕩轉換，白白浪費資源。
7. 在Java 8中的實現細節
在JDK 1.8中，HashMap的實現經過了優化，包括更好的哈希算法、紅黑樹的引入、鏈表長度的控制等。這些變化使得HashMap在面對各種情況時都能提供高效的性能。
8. 性能優化與注意事項
在使用HashMap時，需要注意一些性能優化的問題，例如合理選擇初始容量和加載因子、避免頻繁擴容等。對于特定的應用場景，可以通過調整這些參數來達到更好的性能。
結論
HashMap作為Java中常用的數據結構之一，在JDK 1.8中經過了一系列的優化和改進。深入理解其底層原理，包括哈希算法、數組與鏈表結構、紅黑樹的引入等，以及如何解決哈希碰撞的技術，有助于更好地使用和理解HashMap的性能特性。在實際應用中，根據具體場景選擇適當的參數，可以更好地發揮HashMap的優勢，提高程序的性能和效率。
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