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HashMap的工作原理分析

HashMap并不算特别神奇，它的工作原理相对来说还是比较直接的。以下是我对HashMap的一些理解和分析。

数据结构方面

在Java中，常用的数据结构包括数组、链表和树。数组的查询效率很高，链表的新增效率又很高。HashMap的数据接口将这两种数据结构的优势结合了起来。

数组的实现

数组在Java中用数组表示，代码如下：

int[] aa = new int[16];

其中，16是2的4次方（1左移4位），这是数组的默认初始大小。这里用了位移运算来确定数组的大小，而不是直接写16，这样既方便又高效。

链表的实现

链表的实现方式类似于下面的代码：

public class Node {Object data;Node next;}

双向链表的实现方式类似于：

public class Node {Object data;Node previous;Node next;}

HashMap的独特之处

HashMap的独特之处体现在以下几个方面：

HashMap并不是单纯的数组或链表，而是两者的结合。数组用于存储元素，链表用于解决碰撞问题。

2. 初始大小

数组的初始大小是16，这是2的4次方。这种选择有两个好处：

• 16是二进制数，高效计算
• 初始大小适中，避免内存浪费

为什么不直接写16呢？因为底层都是二进制，位移运算效率更高。

链表的长度限制

链表的长度是有上限的。具体来说：

• 如果链表长度超过8，就会转换为红黑树
• 如果链表长度小于6，就会强制转换为红黑树

这种设计目的是为了在高频率的删除操作后，避免链表过长导致效率低下。

put方法分析

put操作分为以下几个步骤：

3. 调用putValue方法
4. 计算key的hash值
5. 根据hash值确定数组的位置

hash函数的实现

hash函数的实现非常关键。具体来说：

int hash = key.hashCode();int hash = hash ^ (hash >> 16);

这个hash函数的作用是将高16位和低16位进行异或运算，从而得到一个较为分散的hash值。

为什么要用异或运算？

异或运算（^）的特点是：

• 与0异或结果不变
• 两个位同时为1时，结果才为1

这样可以充分利用高低位，提高hash值的分散性。

数组存储位置的确定

存储位置的计算公式是：

int index = (n - 1) & hash;

其中，n是数组的大小。n-1的作用是确保在碰撞发生时，仍然能得到有效的数组索引。

为什么不直接用n？

因为n是2的幂次方，n-1可以用来提取有效位。例如：

n = 16 → n-1 = 15 → 0b1111

这样无论hash值是什么，与运算n-1后，结果都落在0到15之间。

这种方法比模运算（%）更高效，因为模运算需要进行额外的计算。

链表转换与红黑树

当链表长度超过8时，HashMap会将链表转换为红黑树。这是因为红黑树的查询效率更高。

碰撞处理

如果多个元素的hash值相同，就会形成碰撞。此时，HashMap会自动将链表转换为红黑树，或者在删除操作频繁时强制转换为链表。

模运算与按位与运算

模运算（%）和按位与运算（&）的区别在于：

• 模运算是取余数
• 按位与运算是只要有一个位为1，结果位就为1

模运算效率较低，所以HashMap采用按位与运算来提高效率。

总结

HashMap的工作原理主要包括以下几个方面：

6. 数组与链表的结合
7. 高效的哈希函数设计
8. 链表与红黑树的转换机制
9. 碰撞处理策略

这种设计既保证了哈希表的平均时间复杂度，又在面对频繁碰撞时能够灵活调整结构，确保整体性能。

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