HashMap的put方法实现机制

一、HashMap简介

HashMap是一个常用的数据结构，它实现了一个键值对映射的哈希表。它通过将键映射到bucket中，来实现快速的查找。HashMap中每个bucket会保存一个entry链表或是红黑树，如果链表的长度超过了一个预定的阀值，就会将链表转换为红黑树，这样可以提高查找的效率。

二、HashMap的put方法实现

HashMap的put方法实现比较复杂，它会涉及到哈希值计算、寻找桶、查找以及对桶进行操作等操作。

1. 哈希值计算

在插入元素时，HashMap会根据元素的key来计算它的哈希值。这个哈希值是一个int类型的值，它的作用是用来确定该元素的桶位置。将哈希值对桶数组的长度取模，得到的余数就是该元素所在桶的位置。具体的计算方式为：

/**
 * 计算key的哈希值
 */
final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

其中，key.hashCode()计算出的哈希值可能会产生冲突，为了减少冲突，Java使用了一种算法将key.hashCode()的高16位与低16位进行异或运算，得到一个更加均匀分布的哈希值。

2. 寻找桶

在得到元素的哈希值后，需要根据哈希值来找到对应的桶，这个过程叫做寻找桶。HashMap使用一个数组来存储桶，使用哈希值对数组长度取模可以得到对应的桶的位置。

/**
 * 根据哈希值获取桶的位置
 */
final Node getNode(int hash, Object key) {
    Node[] tab; 
    Node first, e; 
    int n; 
    K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // ...
    }
    return null;
}

在这段代码中，tab表示桶数组，如果桶数组不为空，那么根据桶数组的长度和元素的哈希值得到的下标找到对应的桶first。该桶first是一个单向链表的头节点，如果first不为空，就遍历该链表，找到对应的元素。

3. 查找

在找到元素所在的桶后，需要在桶中查找该元素。由于HashMap中每个桶会存储一个entry链表或是红黑树，所以需要根据链表或红黑树的数据结构不同，采用不同的方式进行查找。

对于entry链表，查找方式为遍历链表。遍历链表的过程是一个while循环，不断将当前节点更新为下一个节点，直到找到对应的元素为止。

/**
 * 在桶中查找元素
 */
for (e = first; e != null; e = e.next) {
    if ((e.hash == hash) && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
        oldValue = e.value;
        if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
            e.value = value;
        afterNodeAccess(e);
        return oldValue;
    }
}

对于红黑树，查找方式为红黑树的查找方式。红黑树是一种自平衡的二叉查找树，它的查找操作的时间复杂度是O(log n)。

/**
 * 在红黑树中查找元素
 */
else if (p instanceof TreeNode)
    oldValue = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

4. 对桶进行操作

在完成查找操作后，就可以根据查找的结果对桶进行相关操作。主要分为以下两种情况：

1）在桶中未找到对应元素，需要将元素添加到桶中。

/**
 * 向桶中插入元素
 */
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // ...
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    if (size++ >= threshold)
        resize(2 * table.length);
    afterNodeInsertion(true);
}

在插入元素时，如果桶中未找到对应元素，那么就需要将该元素添加到桶中。这时需要将元素插入到链表或红黑树的末尾。如果插入后链表长度超过了一定长度，就需要将链表转换为红黑树，以提高查找效率。除此之外，如果插入元素后HashMap的容量已经达到阀值，那么就需要对桶数组进行扩容，以便存放更多的元素。

2）在桶中找到对应元素，需要更新该元素的值。

/**
 * 更新桶中的元素
 */
if (e != null) { 
    V oldValue = e.value;
    if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
        e.value = value;
    afterNodeAccess(e);
    return oldValue;
}

更新桶中元素的过程比较简单，只需要将新的值赋给该元素即可。

三、总结

HashMap是一个重要的数据结构，在Java开发中被广泛使用。它的put方法实现机制比较复杂，需要涉及到哈希值计算、寻找桶、查找以及对桶进行操作等多个步骤。掌握HashMap的put方法实现机制能够帮助我们更好地理解和使用HashMap。

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