深入理解Java HashMap的put過程

HashMap是Java集合框架中最常用的一個Map實現，其基本原理是通過將鍵值對映射到一個數組中，使用鏈表或紅黑樹解決哈希衝突。put()方法是HashMap中最常用的方法之一，它用於添加一個鍵值對到HashMap中。

一、Java HashMap的工作原理

HashMap在存儲鍵值對時，首先經過哈希函數的映射，將鍵值對映射到一個數組中。這個數組被稱為哈希表。但是由於不同的鍵值對可能會映射到同一個位置上，因此出現了哈希衝突。解決哈希衝突的方式主要有兩種，一種是使用鏈表法，另一種是使用紅黑樹。

在JDK1.8之前，HashMap使用鏈表法解決哈希衝突。在JDK1.8之後，當鏈表長度超過8時，鏈表將轉換成紅黑樹，以提高其性能和效率。

二、Java HashMap的put()方法實現

put()方法是HashMap中最常用的方法之一，它用於添加一個鍵值對到HashMap中。下面是put()方法的實現：

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

該方法首先判斷當前的哈希表是否為空，如果為空，則先對哈希表進行擴容。接著判斷鍵是否為null，如果是null，則調用putForNullKey()方法添加鍵值對。如果不是null，則對鍵值對進行哈希計算，並找到鍵值對應的位置。接著遍歷該位置上的鏈表，如果發現當前鍵已經存在於鏈表中，則更新其對應的值。如果不存在，則將該鍵值對添加到鏈表末尾。

三、Java HashMap的擴容機制

當HashMap中的鍵值對數量超過threshold時，就需要對HashMap進行擴容。擴容操作會重新計算哈希值，並將每個鍵值對重新映射到新的數組中。下面是expand()方法的實現：

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable);
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

該方法首先判斷是否已經達到了HashMap的最大容量，如果達到了，則退出擴容。否則，創建一個新的鏈表數組，並將每個鍵值對重新映射到新的數組中。在重新映射過程中，需要調用hash()方法重新計算哈希值，並調整每個鍵值對在新數組中的位置。

四、Java HashMap的線程安全性

HashMap在多線程環境下不是線程安全的。如果需要在多線程環境下使用HashMap，可以使用ConcurrentHashMap或通過synchronized關鍵字進行加鎖。

五、Java HashMap中的性能優化

一般來說，為了提高HashMap的性能，需要盡量減少哈希衝突的發生。在添加鍵值對時，可以嘗試讓哈希函數返回較為分散的哈希值，以減少鍵值對映射到同一位置上的可能性。

同時，當鏈表長度過長時，可以將鏈錶轉化為紅黑樹，以提高查找效率。另外，還可以通過調整載入因子的大小來控制HashMap的性能。

六、Java HashMap的應用場景

HashMap常用於存儲鍵值對，並且具有快速添加、查找和刪除的特點。HashMap在Java集合框架中被廣泛地應用於緩存、網路傳輸、日誌處理等領域。

七、Java HashMap的完整代碼

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("John", 25);
        map.put("Alice", 30);

        if (map.containsKey("John")) {
            System.out.println("John is " + map.get("John") + " years old.");
        }
    }
}

該程序使用HashMap存儲兩個人的年齡信息，並在控制台輸出John的年齡。