Java HashMap 底层原理

一、JDK 1.7的HashMap源码解析

1. 数据结构

• Entry类 ：链表节点定义，含key, value, hash, next指针
  源码节点：

  static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
      final K key;
      V value;
      Entry<K,V> next;
      int hash;
      // 构造方法及get/set方法省略
  }

2. 插入过程（头插法）

• put方法 ：计算哈希→处理冲突→扩容
  源码节点：

  public V put(K key, V value) {
      if (table == EMPTY_TABLE) inflateTable(threshold); // 延迟初始化
      int hash = hash(key);
      int i = indexFor(hash, table.length);
      // 遍历链表，若存在相同key则覆盖，否则头插新节点
      for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
          if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
              V oldValue = e.value;
              e.value = value;
              return oldValue;
          }
      }
      addEntry(hash, key, value, i); // 头插新节点
  }

3. 扩容死循环问题

• transfer方法 ：头插法导致链表反转
  源码节点：

  void transfer(Entry[] newTable) {
      for (Entry<K,V> e : table) {
          while (e != null) {
              Entry<K,V> next = e.next;
              int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
              e.next = newTable[i]; // 头插法
              newTable[i] = e;
              e = next;
          }
      }
  }

  问题：多线程扩容时头插法导致链表成环。

---

二、JDK 1.8的HashMap改进

1. 数据结构升级

• Node与TreeNode ：链表节点与红黑树节点
  源码节点：

  // 普通链表节点
  static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
      final int hash;
      final K key;
      V value;
      Node<K,V> next;
  }
  // 红黑树节点
  static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
      TreeNode<K,V> parent, left, right, prev;
      boolean red;
  }

2. 插入优化（尾插法）

• putVal方法 ：尾插链表，树化逻辑
  源码节点：

  final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
      Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
      if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
          n = (tab = resize()).length;
      if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
          tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // 直接插入
      else {
          Node<K,V> e; K k;
          if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || key.equals(k)))
              e = p;
          else if (p instanceof TreeNode) // 红黑树插入
              e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
          else {
              for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                  if ((e = p.next) == null) {
                      p.next = newNode(hash, key, value, null); // 尾插法
                      if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                          treeifyBin(tab, hash); // 链表转树
                      break;
                  }
                  // ...省略冲突处理
              }
          }
      }
  }

3. 哈希扰动优化

• hash方法 ：简化扰动逻辑
  源码节点：

  static final int hash(Object key) {
      int h;
      return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
  }

---

三、ConcurrentHashMap的线程安全实现

1. JDK 1.7的分段锁

• Segment类 ：继承ReentrantLock，锁分段
  源码节点：

  static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock {
      transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
      // put方法加锁
      final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
          HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(...);
          try {
              // ...插入逻辑
          } finally {
              unlock();
          }
      }
  }

2. JDK 1.8的CAS+synchronized

• Node与CAS操作 ：无锁化初始化与插入
  源码节点：

  // 初始化表（CAS控制并发）
  private final Node<K,V>[] initTable() {
      while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
          if ((sc = sizeCtl) < 0) Thread.yield();
          else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
              try {
                  // 创建新数组
              } finally {
                  sizeCtl = sc;
              }
          }
      }
  }
  
  // putVal中的synchronized块
  synchronized (f) {
      if (tabAt(tab, i) == f) {
          if (fh >= 0) {
              // 链表插入
          } else if (f instanceof TreeBin) {
              // 红黑树插入
          }
      }
  }

3. 扩容协作

• helpTransfer方法 ：多线程协助数据迁移
  源码节点：

  final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
      if (tab != null && f instanceof ForwardingNode) {
          while (nextTab == nextTable && table == tab) {
              // 协助扩容线程完成数据迁移
          }
      }
  }

---

四、核心差异总结

特性	JDK 1.7	JDK 1.8
HashMap数据结构	数组+单向链表（Entry类）	数组+链表/红黑树（Node/TreeNode类）
ConcurrentHashMap锁	分段锁（Segment类）	细粒度锁（synchronized+CAS）
插入方式	头插法（transfer方法成环）	尾插法（putVal方法避免死循环）
哈希计算	4次扰动（复杂位运算）	1次扰动（h ^ (h >>> 16)）

---

源码验证总结

• HashMap 1.7 ：通过Entry类、transfer方法验证链表结构与死循环问题。
• HashMap 1.8 ：通过TreeNode类、putVal方法验证树化逻辑。
• ConcurrentHashMap 1.7 ：通过Segment类与锁机制。
• ConcurrentHashMap 1.8 ：通过Node类、initTable的CAS与synchronized块。