当添加一个键值对元素时，HashMap发生了什么？

在谈起“添加一个键值对元素时，HashMap发生了什么变化？”这个问题前，我们先一起认识一下HashMap的存储结构、HashMap中的哈希函数以及如何计算存储位置。

HashMap的存储结构

HashMap内部数据结构使用数组+链表+红黑树进行存储。数组类型为Node[]，每个Node都保存了某个KV键值对元素的key、value、hash、next等值。由于next的存在，所以每个Node对象都是一个单向链表中的组成节点。

//Node 类型的数组
public class HashMap{
    // 每个Node既保存一个KV键值对，同时也是链表中的一个节点
    Node<K,V>[] table; 
}

//链表节点类 Node
public class HashMap{
    // ...
    
    // 静态内部类Node
    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(由于只拥有next，所以该链表为单向链表)
    }
    // ...
}

Map中的Key:无序不可重复，使用set进行存储

Map中的Value:无序可重复，使用collection进行存储

Map中的Key-Value键值对:无序不可重复，构成一个entry对象，使用set进行存储

**HashMap中的哈希函数 **

在向HashMap中存储元素时，首先会通过key所在类的hashcode()方法，计算出key的哈希值，然后将该哈希值与其高16位相异或，计算出一个哈希函数，通过该哈希函数来计算在底层数组中的存储位置。

static final int hash(Object key) {
    int h;
    // 通过key的hashCode()方法返回的哈希值与它的高16位进行异或运算
    // 作用：计算出的hash值，在计算下标位置时，会更“散列”，减少哈希冲突
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

HashMap中计算存储位置的方式

首先HashMap初始化时，默认的数组大小只有16，通过位运算1<<4计算得出。并且，数组的长度必须为2n 。因为数组长度为2的n次幂时，可以使用&与位运算，结合hash值，快速计算该元素在数组中的下标位置，提高HashMap的使用效率。

//HashMap内部数组初始默认容量
public class HashMap{
    /**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    
    // 添加键值对
    final V putVal(int hash, K key, V value) {
        Node<K,V>[] tab; // 数组
        Node<K,V> p; int n, i;
        
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            // 如果数组为空，则该数组扩容为16
            n = (tab = resize()).length;
    }
}

添加时，通过key的hash值，使用&按位与位运算，计算该元素在数组中的下标。作用等同于hash % 数组长度。

//通过当前元素key的值计算下标

int index = (数组长度 - 1) & key的hash值

public class HashMap{
    
      // 添加键值对
      final V putVal(int hash, K key, V value) {
        Node<K,V>[] tab; // 数组
        Node<K,V> p; // 临时节点
        int n, i; // n代表数组长度，i代表元素下标位置
        
        // 根据当前元素的key的hash值，计算该元素在数组tab中的下标位置i
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
      }
}

HashMap底层存储原理

当向HashMap中添加元素(KV键值对)时，首选调用Key所在类的HashCode方法计算Key的哈希值，然后通过该哈希值计算哈希函数，再通过哈希函数计算元素在数组中的存储位置。如果数组中该位置为空则添加成功（情况1）；如果该位置已经有元素，则调用Key所在类的HashCode方法计算哈希值并判断两元素的哈希值是否相同，如果哈希值不相同，则添加成功（情况2），如果哈希值相同（即产生了哈希冲突），再调用Key所在类的equals()方法，判断内容是否相同，如果内容不相同则添加成功（情况3），如果内容相同则添加失败。

对于添加成功的情况2和情况3而言，采用链地址法存储：即将要添加的元素封装为一个Node对象，添加到数组中指定下标位置的链表的尾部（尾插法）。如果数组长度达到64，且数组中某一下标位置以链表形式存储的元素超过8个，则该位置的元素采用红黑树进行存储。

了解添加一个元素时，HashMap底层的存储原理后，我们再设想一个问题：我们知道 HashMap的默认容量为16，当我们不断调用put()方法向Map中添加元素时，必然会涉及到扩容问题。那么，HashMap是如何实现扩容的呢？

HashMap扩容

HashMap底层采用数组+链表+红黑树，扩容过程中需要按照数组容量和加载因子来进行判断。

数组容量：基础数组Node<K,V>[] table的长度。如果没有指定容量，添加第一个元素时，该数组按照默认值16进行初始化。
加载因子：用来表示HashMap集合中元素的填满程度，默认为0.75f。越大则表示允许填满的元素就越多，集合的空间利用率就越高，但是冲突的机会增加。反之，越小则冲突的机会就会越少，但是空间很多就浪费。

public class HashMap{
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
}

情况1：HashMap中的元素个数超过扩容阈值threshold时，就会进行数组扩容（扩容阈值 = 数组容量 × 加载因子）。例如：加载因子的默认值为0.75f，数组容量默认为16，当HashMap中元素个数超过16 × 0.75=12的时候，数组就会扩容。
情况2：HashMap加入新元素时，如果链表长度大于8时，会将当前链表转换为红黑树。在转换红黑树之前，会判断数组长度，如果小于64，会产生数组扩容。如果数组长度大于64，才会将链表转换为红黑树。（链表属于线性查找，速度慢）

HashMap每次扩容时，会按照当前数组的容量扩容2倍。例如：当前数组容量为16，当HashMap中元素个数超过16 × 0.75=12的时候，数组就会扩容2倍；

// 新容量 = 原有容量的2倍
newCap = oldCap << 1

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