一、HashMap简介
HashMap是Java中非常常用的一种数据结构，我们可以用它来存储数据，并可以通过key来快速查找对应的value。在HashMap中，每个key都对应着一个唯一的value，而且这个key-value对是以无序的方式存储在HashMap中的。其中，key必须是唯一的，而value不必唯一。
在Java中，HashMap是基于哈希表实现的，具体来说，它通过哈希函数把关键字映射到存储位置，以实现快速的查找。在哈希表中，通常使用桶（bucket）的方式来存储数据，即数组+链表或者数组+红黑树的方式。
二、HashMap常用方法
在了解HashMap的内部实现之前，我们先来看看HashMap中常用的方法。以下是其常用方法：
// 向map中添加元素，如果key已存在，则更新value并返回旧value值；如果key不存在，则返回null
V put(K key, V value);
// 获取key对应的value值，如果key不存在则返回null
V get(Object key);
// 从map中移除该key及其对应的value，如果key不存在则返回null
V remove(Object key);
// 返回map中key的个数
int size();
// 判断map是否为空
boolean isEmpty();
// 判断map是否包含指定的key
boolean containsKey(Object key);
// 判断map是否包含指定的value
boolean containsValue(Object value);
// 清空map中所有key-value对
void clear();
三、HashMap实现原理
了解HashMap的实现原理是很有必要的，可以更好的理解HashMap的内部结构和具体使用场景。在Java中，HashMap的内部实现主要基于数组+链表（或者数组+红黑树）的数据结构。
首先，HashMap内部定义了一个Node类用于表示链表或者红黑树的节点，它包含了key、value和指向下一个节点的指针。在HashMap中，key的hashCode()方法决定了该key在数组中的存储位置。当我们往HashMap中添加一个key-value对时，首先会计算key的hashCode值，然后根据hashCode值找到对应的数组下标，如果该下标处已经有了元素，则遍历对应的链表查找是否已经存在相同的key，如果找到则直接更新value值，否则插入到链表中。
但是，当链表中的元素太多时，遍历链表的效率会变得非常低，所以当链表中的元素个数大于某个阈值时，JDK1.8版本中会将链表转换为红黑树，这样可以保证在大规模元素时仍然能够保证速度。同时，当红黑树节点的个数小于某个阈值时，又会把红黑树转换回链表，这样可以在元素数量减少时回归到链表的高效性。
另外，由于哈希函数有可能将不同的key映射到同一个数组下标，所以当多个key映射到同一个下标时会形成一个链表。当链表中的元素太多时则会转换成红黑树或者进行扩容操作，后面会详细解释。
四、HashMap初始化
当我们创建一个HashMap对象时，JVM会为其分配数组空间，代码如下：
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 负载因子，默认为0.75
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* 返回大于等于给定初始容量的最小2次幂
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
在不指定初始容量和负载因子的情况下，默认初始容量为16，默认负载因子是0.75。其中，初始容量必须是2的幂，如果给定的初始容量不是2的幂时，HashMap会自动将初始容量调整为大于等于给定初始容量的最小2次幂，如下：
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 最大容量为2^30
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
当HashMap中的元素个数达到了容量的0.75倍时，JVM就会进行扩容操作。扩容时会将数组长度加倍，并将原有元素重新分配到新的数组中。如果元素过多，还会将链表或者红黑树转换为新的链表或者红黑树。
五、HashMap线程安全性
HashMap不是线程安全的，如果在多线程环境下修改HashMap的结构，可能会导致链表出现断裂，或者出现环形链表等问题，导致循环遍历时产生死循环。因此，在多线程环境下使用HashMap需要进行同步控制。
六、示例代码
下面是一个简单的HashMap示例，展示了HashMap的基本用法。
public class HashMapDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建HashMap
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(16);
// 添加元素
map.put("Apple", 10);
map.put("Banana", 20);
map.put("Orange", 30);
// 获取元素
Integer value = map.get("Banana");
System.out.println("Banana对应的value为：" + value); // 输出20
// 遍历元素
for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
System.out.println(entry.getKey() + "-->" + entry.getValue());
}
}
}
