1. 概述
在本文中，我们将深入探讨 Java 中 HashMap 的负载因子（load factor）的重要性，以及它如何影响 HashMap 的性能表现。
2. 什么是 HashMap？
HashMap 是 Java 集合框架中的一个核心类，提供了 Map 接口的基本实现。当我们需要以键值对的形式存储数据时，HashMap 是一个非常常见的选择。这些键值对也被称为“映射项”（map entries），由 Map.Entry 类来表示。
3. HashMap 内部机制
在深入负载因子之前，我们先回顾几个关键概念：
- ✅ 哈希（hashing）
- ✅ 容量（capacity）
- ✅ 阈值（threshold）
- ✅ 重新哈希（rehashing）
- ✅ 哈希冲突（collision）
HashMap 的核心机制基于 哈希算法 —— 一种将对象数据映射为整数索引的技术。这个索引决定了键值对应该存储在哪个桶（bucket）中。
容量 是指 HashMap 中桶的数量。初始容量是创建 Map 时的容量，默认为 16。
随着 HashMap 中元素的增加，容量也会扩展。负载因子 就是决定何时扩展容量的关键参数，默认值是 0.75（即 75%）。
阈值 大约等于容量乘以负载因子。当 HashMap 中的元素数量超过阈值时，就会触发 重新哈希，也就是将桶的数量翻倍，并重新分配所有已存在的键值对。
当两个不同的键被哈希到同一个桶中时，就会发生 哈希冲突。
我们来创建一个默认的 HashMap：
Map<String, String> mapWithDefaultParams = new HashMap<>();
mapWithDefaultParams.put("1", "one");
mapWithDefaultParams.put("2", "two");
mapWithDefaultParams.put("3", "three");
mapWithDefaultParams.put("4", "four");
结构如下图所示：
如图所示，HashMap 使用默认初始容量（16）和默认负载因子（0.75）。阈值为 16 × 0.75 = 12，也就是说，当添加第 13 个键值对时，容量将从 16 扩展到 32。
4. 自定义初始容量与负载因子
4.1. 指定初始容量
我们可以通过构造函数指定初始容量：
Map<String, String> mapWithInitialCapacity = new HashMap<>(5);
此时，HashMap 的初始容量为 5，默认负载因子为 0.75。
4.2. 指定初始容量和负载因子
也可以同时指定初始容量和负载因子：
Map<String, String> mapWithInitialCapacityAndLF = new HashMap<>(5, 0.5f);
此时，初始容量为 5，负载因子为 0.5。
5. 性能分析
虽然我们可以自由设置初始容量和负载因子，但这两个参数对 HashMap 的性能有直接影响。下面我们来看它们如何影响性能。
5.1. 时间复杂度
理想情况下，如果 hashCode() 方法设计得当，HashMap 会将键值对均匀地分布在各个桶中，此时的 **存取时间复杂度为 O(1)**。
但随着元素数量增加，而桶数量不变时，每个桶中的元素会增多，导致查找效率下降。
解决办法是：当元素增多时，增加桶的数量并重新分布元素，从而维持每个桶中的元素数量大致不变，保持 O(1) 的性能。
负载因子的作用就在于决定何时增加桶的数量。较低的负载因子意味着更多的空桶，从而减少哈希冲突，提升性能。
⚠️ 负载因子越低，时间复杂度越稳定，但空间开销越大。
✅ 负载因子越高，空间利用率越高，但查找效率可能下降。
HashMap 的空间复杂度为 O(n)，其中 n 是存储的键值对数量。
5.2. 重新哈希（Rehashing）
当元素数量超过阈值时，HashMap 会自动将容量翻倍，并触发 重新哈希。这个过程需要重新计算每个已有键值对的哈希值，并重新分配到新的桶中。
虽然重新哈希有助于维持低负载因子和高性能，但它是一个开销较大的操作。
📌 建议：如果能预估数据量，应尽量在初始化时设置合适的初始容量，避免频繁 rehashing。
示例代码如下：
Map<String, String> mapWithInitialCapacityAndLF = new HashMap<>(5, 0.75f);
mapWithInitialCapacityAndLF.put("1", "one");
mapWithInitialCapacityAndLF.put("2", "two");
mapWithInitialCapacityAndLF.put("3", "three");
mapWithInitialCapacityAndLF.put("4", "four");
mapWithInitialCapacityAndLF.put("5", "five");
添加前结构如下：
继续添加元素：
mapWithInitialCapacityAndLF.put("6", "Six");
mapWithInitialCapacityAndLF.put("7", "Seven");
// ... 添加到 15
mapWithInitialCapacityAndLF.put("15", "fifteen");
添加后结构如下：
5.3. 哈希冲突（Collision）
哈希冲突通常由不合理的 hashCode() 实现引起，会显著影响性能。
在 Java 8 之前，HashMap 使用链表（LinkedList）来处理冲突。当多个键映射到同一个桶时，它们会被链式存储。
最坏情况下，查找时间复杂度会退化为 **O(n)**。
✅ Java 8 引入了红黑树优化：当链表长度超过一定阈值（默认为 8）时，链表会被转换为红黑树，查找复杂度降低为 **O(log n)**。
该阈值由常量 TREEIFY_THRESHOLD 控制，默认值为 8。
6. 总结
本文深入讲解了 HashMap 中负载因子的作用机制及其对性能的影响。合理设置初始容量和负载因子，可以有效提升 HashMap 的性能表现。
📌 关键点回顾：
- 默认初始容量为 16，负载因子为 0.75
- 负载因子决定何时扩容
- 频繁 rehashing 会影响性能，建议初始化时预估容量
- Java 8 使用红黑树优化冲突处理，提升最坏情况下的查找效率
本文示例代码可在 GitHub 获取。