1 成员变量

//默认初始化容量为16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//最大容量，2的30次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认负载因子0.75，达到数组长度的这个比例时，数组进行扩容
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//转化为红黑树的链表长度阈值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//红黑树转换为链表的阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//转换为红黑树的数组长度阈值
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//存储元素的Node节点
transient Node<K,V>[] table;
//缓存的entrySet
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//存储元素个数
transient int size;
//修改次数
transient int modCount;
//数组下次扩容大小
int threshold;
//负载因子
final float loadFactor;
...

成员变量定义了一些初始化相关和扩容相关的参数。

2 构造方法

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {if (initialCapacity < 0)throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +initialCapacity);//如果超过最大值则设置为最大值if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +loadFactor);this.loadFactor = loadFactor;//根据传入的容量计算出一个容量，保证数组大小为2的次方this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}public HashMap(int initialCapacity) {this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}public HashMap() {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;putMapEntries(m, false);
}

提供了四个构造方法，空参，设置容量，设置容量和负载因子，通过Map构造HashMap。除了最后一个，其他的都是只设置了容量大小和负载因子。

3 添加元素

public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

调用putVal，参数中第一个是计算key的hash值。

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

调用对象的hashCode方法，返回一个hash值，并对hash值进行了处理。处理方式是将计算出的hashCode值右移16位，并与自身进行异或运算。
这样设计的原因是因为，计算出来的int类型的hashcode值范围很广，但是我们使用时创建的数组长度通常很小。HashMap中是通过取余的方式来计算存放数组索引的，如果直接使用hashcode来取余，那么使用的几乎都是低位的数据，出现hash碰撞的概率就很高。这里将高16与低16位异或，将高16位的特征综合到第16位中，这样增大低16位数据的复杂性，从而减少hash冲突。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {//创建Node数组Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;//如果没有添加过元素，则table没有初始化，初始化tab数组if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;//此时n为数组大小，(n-1)&hash取余计算，算出数组下标，如果下标出没有元素，则直接新建一个加入if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);else {//如果已经有元素存在Node<K,V> e; K k;//判断是已存在的if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;//判断是一个红黑树else if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//判断是一个链表else {for (int binCount = 0; ; ++binCount) {if ((e = p.next) == null) {//遍历到链表最后，则挂到链表上，如果链表元素大于8则触发转换红黑树p.next = newNode(hash, key, value, null);if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break;p = e;}}//如果已经存在一个key相同的元素，则覆盖value，并返回老的valueif (e != null) { // existing mapping for keyV oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}++modCount;//如果超过了数组长度，则扩容if (++size > threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null;
}

4 扩容

final Node<K,V>[] resize() {Node<K,V>[] oldTab = table;//获取老的容量int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;int oldThr = threshold;//新容量和扩容时容量int newCap, newThr = 0;if (oldCap > 0) {//已经初始化过//如果oldCap已经打过最大容量值了，则把容量扩容大小设置为Integer的最大值if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}//左移1位，新容量扩容为2倍，扩容大小也设置为老扩容大小的两倍else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr = oldThr << 1; // double threshold}else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold//构造中传入了默认容量的newCap = oldThr;else {               // zero initial threshold signifies using defaults//空参构造，设置默认容量为16newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}if (newThr == 0) {float ft = (float)newCap * loadFactor;newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft : Integer.MAX_VALUE);}threshold = newThr;@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})//创建Node数组Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];table = newTab;if (oldTab != null) {for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;if (e.next == null)//如果只有一个元素，则直接存入新数组中newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;else if (e instanceof TreeNode)//如果是红黑树，则进行拆分((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // preserve order//如果是链表，则重新hashNode<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {next = e.next;//在新数组中索引不变，针对取余前就没有超过容量的那种数据取余if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}//在新数组中索引变化，针对取余前超过容量的那种数据取余，新数组中，就没有超过数组容量了else {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}}return newTab;
}

5 获取元素

public V get(Object key) {Node<K,V> e;return (e = getNode(key)) == null ? null : e.value;
}final Node<K,V> getNode(Object key) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n, hash; K k;if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & (hash = hash(key))]) != null) {if (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return first;if ((e = first.next) != null) {if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);do {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null;
}

根据hash直接从存储的Node数组中找到对应索引处的Node对象，如果是红黑树则调用getTreeNode从红黑树中获取，如果是链表则遍历链表获取。

6 总结

HashMap中容量都是2的次方，是为了方便定位hash值的索引位置，因为2的次方-1之后第一位为0，其他位都是1，然后与hash值相与，相当于是对2的n次方取余了。
HashMap设置了负载因子，默认为0.75，如果超过了数组容量的0.75，则会触发扩容。负载因子的设计与hash碰撞相关，如果负载因子设置较小，则会频繁触发扩容，且空间利用率不高。如果负载因子设置较大，则会导致冲突增加，对元素的操作插入、查询都会增加性能消耗。
无参构造，添加第一个元素时初始化数组，默认初始容量为16，每次扩容大小为2倍。
hash冲突后，采用链地址法解决，将相同hash的链接在一个数组元素的节点后面
如果链表节点超过8，则会做判断，如果数组长度没有超过64，则扩容数组，重新hash。如果数组长度超过64，则将链表转换为红黑树进行存储。
jdk1.8之后，链表采用尾插的方式，1.8之前链表采用头插的方式。之所以不再使用头插法是因为多线程情况下，头插法可能导致链表成环，从而破坏链表结构，使程序崩溃。
HashMap的key和value都可以为null，key为null时，hashcode为0，所以允许一个key为null，而value可以多个为null。