Что происходит внутри HashMap.put()?

Мы уже рассматривали хэш-таблицы в целом, теперь рассмотрим в деталях, как новые ключ и значение складываются в HashMap.

1. Вычисляется хэш ключа. Если ключ null, хэш считается равным 0. Чтобы достичь лучшего распределения, результат вызова hashCode() «перемешивается»: его старшие биты XOR-ятся на младшие.

2. Значения внутри хэш-таблицы хранятся в специальных структурах данных – нодах, в массиве. Из хэша высчитывается номер бакета – индекс для значения в этом массиве. Полученный хэш обрезается по текущей длине массива. Длина – всегда степень двойки, так что для скорости используется битовая операция &.

3. В бакете ищется нода. В ячейке массива лежит не просто одна нода, а связка всех нод, которые туда попали. Исполнение проходит по этой связке (цепочке или дереву), и ищет ноду с таким же ключом. Ключ сравнивается с имеющимися сначала на ==, затем на equals.

4. Если нода найдена – её значение просто заменяется новым. Работа метода на этом завершается.

5. Если ноды с таким же ключом в бакете пока нет – добавляемая пара ключ-значение запаковывается в новый объект типа Node, и прикрепляется к структуре существующих нод бакета. Ноды составляют структуру за счет того, что в ноде хранится ссылка на следующий элемент (для дерева – следующие элементы). Кроме самой пары и ссылок, чтобы потом не считать заново, записывается и хэш ключа.

6. В случае, когда структурой была цепочка а не дерево, и длина цепочки превысила 7 элементов – происходит процедура treeification – превращение списка в самобалансирующееся дерево. В случае коллизии это ускоряет доступ к элементам на чтение с O(n) до O(log(n)). У comparable-ключей для балансировки используется их естественный порядок. Другие ключи балансируются по порядку имен их классов и значениям identityHashCode-ов. Для маленьких хэш-таблиц (< 64 бакетов) «одеревенение» заменяется увеличением (см. п.8).

7. Если новая нода попала в пустую ячейку, заняла новый бакет – увеличивается счетчик структурных модификаций. Изменение этого счетчика сообщит всем итераторам контейнера, что при следующем обращении они должны выбросить ConcurrentModificationException.

8. Когда количество занятых бакетов массива превысило пороговое (capacity * load factor), внутренний массив увеличивается вдвое, а для всего содержимого выполняется рехэш – все имеющиеся ноды перераспределяются по бакетам по тем же правилам, но уже с учетом нового размера.