HashMap 在 Java 中是一种广泛使用的基于散列的 Map 实现，它存储键值对，并且允许使用 null 值和 null 键。HashMap 的性能主要依赖于两个参数：初始容量和负载因子。为了更好地理解 HashMap，我们需要深入其实现细节，包括它如何存储数据、处理冲突、扩容以及迭代。

基本结构

HashMap 内部基于一个动态数组（Node 类型的数组）实现，每个数组位置也被称为“桶”。每个 Node 包含四个基本组成部分：int hash，K key，V value 和 Node<K,V> next。当发生哈希冲突时，节点会以链表的形式存储在同一个桶中，Java 8 引入了当链表长度大于某个阈值（默认为 8）时，链表转换为红黑树的优化。

哈希函数

HashMap 通过 key.hashCode() 计算键的哈希码，然后通过额外的哈希函数来减少冲突。Java 8 中对键的 hashCode() 返回值的高位也参与运算，增加了随机性，减少了冲突的可能。

存储与检索

• put(K key, V value): 添加元素时，首先计算 key 的哈希值，以确定其在数组中的位置。如果该位置无任何元素，直接存储；如果有元素（存在冲突），则以链表（或红黑树）的形式存储新的节点。
• get(Object key): 获取元素时，也是通过计算哈希值找到对应的桶，然后遍历链表（或红黑树）来查找键匹配的节点。

扩容

当实际大小超过了容量与负载因子乘积的时候（size > capacity * loadFactor），HashMap 会进行扩容，即创建一个新的节点数组，大小是原数组的两倍，并重新计算每个元素在数组中的位置。

源码片段与分析

由于篇幅限制，以下仅展示 HashMap 的关键方法的逻辑概述，不是直接的源码：

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;
    // 如果数组为空或者长度为0，进行扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 如果计算出的位置为空，直接新建节点存储
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        // 发生哈希冲突，处理冲突
        Node<K,V> e; K k;
        // 检查第一个元素是否就是要放入的key
        if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 如果是红黑树节点，调用红黑树的插入方法
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 遍历链表
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 链表长度达到阈值，转换为红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                // 如果找到了相同的key，跳出循环进行值的替换
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        // 如果存在相同的key，替换旧值
        if (e != null) {
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    // 超过最大容量，扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

总结

HashMap 是 Java 集合框架中的重要组成部分，基于散列的机制提供了快速的查找、插入和删除操作。通过理解其内部结构和源码实现，可以更好地在实际应用中使用它，以及避免一些常见的陷阱，例如忽略哈希冲突处理和扩容对性能的影响。