一文看懂HashMap扩容为什么总是2的次幂

Java笔记虾 2022-08-09

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作者：helloword先生
https://blog.csdn.net/u010841296/

HashMap是根据key的hash值决策key放入到哪个桶（bucket）中，通过 tab=[(n - 1) & hash] 公式计算得出。其中tab是一个哈希表

1. 为什么要保证 capacity 是2的次幂呢？

（1）在get方法实现中，实际上是匹配链表中的 Node[] tab 中的数据。

(n - 1) & hash实际上是计算出 key 在 tab 中索引位置，当key的hash没有冲突时，key在HashMap存储的位置就是匹配的node中的第一个节点。如果hash有冲突，就会在node里面节点中查询，直至匹配到相等的key。

（2）因为 n 永远是2的次幂，所以 n-1 通过二进制表示，永远都是尾端以连续1的形式表示（00001111，00000011）

当(n - 1) 和 hash 做与运算时，会保留hash中后 x 位的 1，例如 00001111 & 10000011 = 00000011

这样做有2个好处

&运算速度快，至少比%取模运算快
能保证索引值肯定在 capacity 中，不会超出数组长度，(n - 1) & hash，当n为2次幂时，会满足一个公式：(n - 1) & hash = hash % n

2.为什么要通过 (n - 1) & hash 决定桶的索引呢？

（1）key具体应该在哪个桶中，肯定要和key挂钩的，HashMap顾名思义就是通过hash算法高效的把存储的数据查询出来，所以HashMap的所有get 和 set 的操作都和hash相关。

（2）既然是通过hash的方式，那么不可避免的会出现hash冲突的场景。hash冲突就是指 2个key 通过hash算法得出的哈希值是相等的。hash冲突是不可避免的，所以如何尽量避免hash冲突，或者在hash冲突时如何高效定位到数据的真实存储位置就是HashMap中最核心的部分。

（3）首先要提的一点是 HashMap 中 capacity 可以在构造函数中指定，如果不指定默认是2 的 (n = 4) 次方，即16。

public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

（4）HashMap中的hash也做了比较特别的处理，(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)。

先获得key的hashCode的值 h，然后 h 和 h右移16位做异或运算。

实质上是把一个数的低16位与他的高16位做异或运算，因为在前面 (n - 1) & hash 的计算中，hash变量只有末x位会参与到运算。使高16位也参与到hash的运算能减少冲突。

例如1000000的二进制是 00000000 00001111 01000010 01000000
右移16位：00000000 00000000 00000000 00001111
异或 00000000 00001111 01000010 01001111

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

3.capacity 永远都是 2 次幂，那么如果我们指定 initialCapacity 不为 2次幂时呢，是不是就破坏了这个规则？

答案是不会的，HashMap的tableSizeFor方法做了处理，能保证n永远都是2次幂。

/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 */
static final int tableSizeFor(int cap) {
    //cap-1后，n的二进制最右一位肯定和cap的最右一位不同，即一个为0，一个为1，例如cap=17（00010001），n=cap-1=16（00010000）
    int n = cap - 1;
    //n = (00010000 | 00001000) = 00011000
    n |= n >>> 1;
    //n = (00011000 | 00000110) = 00011110
    n |= n >>> 2;
    //n = (00011110 | 00000001) = 00011111
    n |= n >>> 4;
    //n = (00011111 | 00000000) = 00011111
    n |= n >>> 8;
    //n = (00011111 | 00000000) = 00011111
    n |= n >>> 16;
    //n = 00011111 = 31
    //n = 31 + 1 = 32, 即最终的cap = 32 = 2 的 (n=5)次方
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}