HashMap为什么总是使用2的幂作为哈希表的大小

导读

今天在看HashMap源码时，发现HashMap扩容时总是2的幂次，也就是是说使用2的幂作为哈希表的大小，那究竟是为什么呢？今天我们就来讨论这个问题

HashMap

HashMap 默认的初始化⼤⼩为16。之后每次扩充，容量变为原来的2倍。创建时如果给定了容量初始值，那么 Hashtable 会直接使⽤你给定的⼤⼩，而 HashMap 会将其扩充为2的幂次⽅⼤⼩。

源码分析

这里以put为例

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

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
           

这里我们注意：

• (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。

• 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，这样碰撞的几率小。

  例如 00001111 & 10000011 = 00000011

这样做有几个好处

• &运算速度快，至少比%取模运算块
• 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

但是这时候就会有一个疑问？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。

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？前文已经说了，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;
}