前言
HashMap是基于哈希表的Map接口的实现，在数据结构中十分重要，用途十分广泛，与HashTable相比，它是线程不安全的，这就注定了HashMap的高效率和常用性。
待解决的问题
如果有一个长度为15的数组，存储着5个数据，我们现在要向数组中添加一个新的元素，要求数组中所有元素的值不能重复，该如何有效解决？
这个问题相对简单，我们可以对数组进行遍历，判断数组中每个元素的值与当前元素是否相等，如果相等就不添加，不等就添加进数组，问题迎刃热解。
如果这个数组长度非常长，数据非常多，还能使用上述方法解决吗？
显然是行不通的，使用这么低效率的方法处理成千上万的数据我们是无法接受的，那么有没有什么更好的方法呢？
HashMap是一种数组加链表形式的数据存储结构，根据哈希值特性的加持，能有效降低查找元素所花费的时间以及空间复杂度。
原理
数组加链表，存储大量元素时，通过哈希值的特性，计算出每个元素的哈希值，在进行某种运算，计算出该元素在数组的存放位置，大量元素存储时，查重和添加就会大大提高效率，先按规定（哈希值）计算该元素在数组中应该存放的位置，此时已经排除其他数组位置，每个数组位置上又以链表的形式存储数据，极大的提高了效率。
底层原理分析
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JDK7中
创建HashMap对象之后
首先底层创建一个长度为16的数组 Entry[] table （Entry类）进行多次put(key,value)时
计算key的哈希值，然后经过某种计算得到其在数组中下标的位置
情况一：如果数组此位置上没有元素，那么直接添加成功
情况二：位置上已存在元素（元素可能不止一个，以链表形式存储），则遍历进行哈希值的比较。
1.如果哈希值不同，则将新元素添加在链表的头部位置
2.如果哈希值相同，则通过equals方法继续比较。
2.1如果相等，就覆盖之前的元素
2.2如果不等，就添加成功
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JDK8中
创建HashMap对象时不会立即创建长度为16的数组
当进行第一次put时，此时才创建一个长度为16的Note[]（Note类）数组
与JDK7大致相同，不同点在于：
加入了红黑树，当单个链表长度大于8且数组长度大于64时启用红黑树存储，数组长度小于64时继续扩容即可，扩容后把之前的数据复制到新的数组中。
JDK7中添加新元素是在链表的头部，而JDK8中则是直接加到链表的尾部（七上八下）
JDK7中使用的是Entry类。JDK8则使用的是Node类
红黑树
红黑树是一种特定类型的二叉树，是在计算机科学中用到的一种数据结构，典型的用途是实现关联数组。它是在1972年由RudolfBayer发明的，他称之为"对称二叉B树"，它现代的名字是在LeoJ.Guibas和RobertSedgewick于1978年写的一篇论文中获得的。它是复杂的，但它的操作有着良好的最坏情况运行时间，并且在实践中是高效的，它可以在O(logn)时间内做查找，插入和删除，这里的n是树中元素的数目。
源码分析（JDK8）
HashMap常用属性
默认加载因子（就是当数组已添加元素的位置个数占数组总长度的0.75时，开始进行扩容操作）static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;默认初始数组长度（默认数组长度为16）static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;扩容临界值 16 * 0.75 = 12（当数组已添加元素的位置个数为12时开始扩容）int threshold转红黑树最小数组长度（当数组长度大于64时，才考虑进行转红黑树存储）static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;单个链表长度大于该值时，且数组长度大于64时，转化为红黑树。static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
- 创建HashMap对象
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}
空参构造器中对属性loadFactor（加载因子）进行了赋值操作，初始值为16。
注意：JDK8中创建完HashMap对象后并没有立即创建长度为16的数组。
- 进行添加操作时
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);}
传入Key与Value值，并返回putVal()方法，此时还是没有创建长度为16的Note[]数组。
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {
1.创建一个Node数组，以及Node对象 n：数组长度 i：下标Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;2.如果table为null 或是table表长度为0时 因为我们是第一次添加 所以要进入判断中if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)3.进入resize方法，并返回长度给nn = (tab = resize()).length;if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);else {
Node<K,V> e; K k;4.进入resize方法出来以后，数组已创建完毕，下面就是添加时进行的判断了。if (p.hash == hash &&5.当新添加元素与之前链表头元素的哈希值，key值都相等时，说明已存在。((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))6.直接进行覆盖即可。e = p;7.这一步是判断Note[]是否已转为红黑树，先不用管else if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);8.如果不满足上述所有条件else {
9.遍历此链表，从p.next开始，因为第5步已经对表头进行了判断for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
10.如果下一节点为空if ((e = p.next) == null) {
11.直接添加至链表尾，这也是与JDK7不一样的地方，传入哈希值，key，value，并结束循环p.next = newNode(hash, key, value, null);如果链表长度超过8，则进入treeifyBin方法判断进行扩容还是转成红黑树if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}12.如果哈希值相等，key也相等，说明两个元素一样，此时需要覆盖，直接break种植循环if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break;如果有匹配到，继续next循环p = e;}}13.对哈希值相等并且key值一样，进行替换操作。if (e != null) {
// existing mapping for keyV oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}++modCount;if (++size > threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null;}
初次添加，进入resize方法，
final Node<K,V>[] resize() {
1.定义数组Node<K,V>[] 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 << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr = oldThr << 1; // double threshold}else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in thresholdnewCap = oldThr;2.我们是第一次添加，所以上面的判断都不会进入else {
// zero initial threshold signifies using defaults3.初次添加进入到这里，对newCap（初始数组长度16）和newThr（扩容临界值0.75 * 16 = 12）进行赋值newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft : Integer.MAX_VALUE);}threshold = newThr;@SuppressWarnings({
"rawtypes","unchecked"})4.到这里，才进行Note数组的创建Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];5.创建完毕赋给table，我们是第一次添加，所以下面的逻辑先不用看table = newTab;if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;if (e.next == null)newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;else if (e instanceof TreeNode)((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else {
// preserve orderNode<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {
next = e.next;if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}else {
if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.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;}}}}}6.返回return newTab;}
红黑树与扩容
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;如果数组长度小于64 只需要扩容就行了if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)resize();否则才进行红黑树转换else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);if (tl == null)hd = p;else {
p.prev = tl;tl.next = p;}tl = p;} while ((e = e.next) != null);if ((tab[index] = hd) != null)hd.treeify(tab);}}
写在最后
关于红黑树
当链表长度大于8且数组长度大于64时，此时再使用链表结构效率就会大大降低，若采用红黑树进行存储，往树上进行添加时，大于根结点的挂右边，小于根结点的挂左边，一次类推，这样每次查找一旦锁定数组上哪个红黑树之后，理想状态下每次就能排除一半，比链表结构一个一个遍历查找效率快很多，从而降低时间复杂度。
关于加载因子与临界值
为什么会有加载因子？加载因子是干嘛的？
加载因子是衡量什么情况下进行扩容操作的重要指标，当已占用数组下标数量占比数组长度的0.75时，例如数组长度16，达到12时就要进行扩容了。
为什么不是在数组占满时再扩容，而是达到临界值时？
数组一定会满吗？首先考虑这个问题，数组分配的下标位置是根据元素哈希值经过&运算得出的数组下标，这样一来就会形成一种可能，就是有的数组下标形成了很长的链表，而也有的数组下标没有一个元素存放，这样的话如果是在数组占满时再扩容（这时候可能个别链表已经很长了，已经不利于查找了），效率会很低。所以经过计算，加载因子为0.75上下时，进行数组扩容是比较合理的。