1、简述
HashMap 是 Java 中最常用的数据结构之一，它以键值对的形式存储数据，允许快速的插入、删除和查找操作。在 JDK 1.8 之前，HashMap 主要是基于数组加链表的结构实现的。然而，在面对大量哈希冲突时（即多个键的哈希值相同时），链表可能会变得非常长，导致查询效率从 O(1) 退化为 O(n)。为了优化这种情况，JDK 1.8 对 HashMap 进行了几个重要的改进，主要包括引入红黑树（Red-Black Tree）和哈希算法的改进。本文将详细讲解这些优化及其背后的设计思路。
2、JDK 1.8 之前的 HashMap 实现
在 JDK 1.8 之前，HashMap 使用数组和链表的组合结构。当我们插入一个元素时，它首先通过键的哈希值确定数组中的位置（称为桶），如果该位置存在其他元素，新的键值对将被追加到该位置的链表上。
这种结构的优点是简单易实现，且在键分布均匀的情况下性能很好。但在极端情况下，如果大量的键映射到了同一个位置（哈希冲突），链表的长度会增长，查询时间复杂度会从 O(1) 退化到 O(n)，这对性能影响较大。
3、JDK 1.8 对 HashMap 的优化
3.1 引入红黑树（Red-Black Tree）
为了优化链表查询的效率，JDK 1.8 引入了红黑树。当链表的长度超过一定阈值（默认是 8）时，链表会自动转换为红黑树。红黑树是一种自平衡二叉搜索树，查找、插入、删除操作的时间复杂度为 O(log n)，因此大幅提升了查询性能。
当链表中的元素少于一定数量（默认是 6）时，红黑树会被转换回链表。这种转换机制在哈希冲突较严重时显著提升了 HashMap 的性能，同时也保证了在数据量较少时的内存开销不会过高。
// HashMap 中的链表转红黑树逻辑示例
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) {treeifyBin(tab, hash);
}
- TREEIFY_THRESHOLD：定义了链表转化为红黑树的阈值，默认值为 8。
- treeifyBin：负责将链表转化为红黑树。
3.2 动态扩容优化
HashMap 的容量是动态扩展的，当哈希表中的元素数量超过当前容量的 75% 时，会触发扩容操作。在 JDK 1.8 之前，扩容需要重新计算每个键的哈希值并分配到新的位置。JDK 1.8 优化了扩容逻辑，通过更高效的方式重新分配元素。
扩容时，原数组长度翻倍，每个元素要么保持在原位置，要么移动到新的索引位置。通过与新的容量进行简单的按位与运算，JDK 1.8 能快速确定元素在新数组中的位置，从而避免重新计算哈希值，提升了扩容的效率。
// HashMap 扩容时的元素迁移逻辑
int idx = e.hash & (newCapacity - 1);
3.3 改进的哈希算法
在 JDK 1.8 中，HashMap 采用了更好的哈希扰动函数（hash function），目的是减少哈希冲突的发生。通过对哈希值进行一系列位运算，使得高位和低位都能影响最终的数组索引，减少了低质量哈希函数带来的冲突问题。
static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
这一优化主要是通过异或操作，将高位和低位的信息混合在一起，以提高哈希值的随机性，进而降低哈希冲突的概率。
4、优化的性能影响
JDK 1.8 的这些改进显著提升了 HashMap 在大数据量、高冲突场景下的性能：
- 在链表转换为红黑树后，查找性能从 O(n) 提升为 O(log n)，尤其在高冲突情况下，性能提升明显。
- 动态扩容时避免了重复计算哈希值，扩容效率得到了提升。
- 改进的哈希算法进一步减少了哈希冲突的概率，提高了哈希表的整体性能。
以下是一个简单的示例代码，展示了 HashMap 在 JDK 1.8 中的工作机制：
import java.util.HashMap;public class HashMapDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();// 插入元素，触发红黑树转换for (int i = 0; i < 20; i++) {map.put("key" + i, i);}// 输出 HashMap 内容map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));// 扩容前后检查性能System.out.println("Size before expansion: " + map.size());for (int i = 20; i < 50; i++) {map.put("key" + i, i);}System.out.println("Size after expansion: " + map.size());}
}
5、总结
JDK 1.8 对 HashMap 的优化主要集中在两个方面：提高哈希冲突情况下的查找效率和优化扩容过程。通过引入红黑树结构，HashMap 能够在面对大量哈希冲突时依然保持高效的查询性能；而动态扩容的优化则减少了不必要的哈希值重计算操作。这些优化使得 HashMap 在 JDK 1.8 中性能更加稳定和高效，特别是在大数据量的高并发环境中，表现尤为出色。
这也是为什么在性能敏感的系统中，升级到 JDK 1.8 后 HashMap 的表现更加优越的原因。希望这篇文章能帮助你更好地理解这些优化的实现原理，并在实际开发中加以应用。
