HashMap源码阅读与解析
目录结构
- 导入语
- HashMap构造方法
- put()方法解析
- addEntry()方法解析
- get()方法解析
- remove()解析
- HashMap如何进行遍历
一、导入语
HashMap是我们最常见也是最长使用的数据结构之一，它的功能强大、用处广泛。而且也是面试常见的考查知识点。常见问题可能有HashMap存储结构是什么样的？HashMap如何放入键值对、如何获取键值对应的值以及如何删除一个键值对。今天我们就来看看HashMap底层的实现原理。下面我们就开始进入正题，分析一下hashmap源码的实现原理。
二、HashMap构造方法以及存储结构
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}
HashMap的构造方法有好几个，在这里我们就不一一介绍，只说一下我们最常见的HashMap无参构造方法。上面的构造方法中，有几个变量需要我们这里说明一下：
- loadFactor:加载因子，默认值为0.75；
- threshold:threshold是一个阈值，初始值为默认为16*0.75。当hashmap中存放键值对数量大于该值时，表示hashmap容量大小需要扩充，一般容量会翻倍。
- table:table其实是一个Entry类型的数组，在hashmap中我们利用数组和链表来解决hash冲突，这里的table数组用于存放冲突链表的头结点。
另外在HahsMap中，我们通过数组加链表的方式来存储Entry节点（Entry数据结构用于存储键值对）。这里所谓的数组即是上面提到的table，它是一个Entry数组，table对象中节点初始化值均为null，当我们新插入的节点第一次散列到该位置时，会将节点插入到table中对应位置。如果后续存在散列位置相同的节点，会以链表的方式解决hash冲突。示意图如下：
三、put()方法解析
put方法是我们最常用方法，我们利用该方法将键值对放入HashMap集合中，那么HashMap到底是什么样的结构，put()方法又做了什么呢？我们下面就来看看put()方法的具体实现。
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
如果当前传入的key值为null，执行putForNullKey()方法;当key值为null时，hash值为0，将其保存到以table[0]为开头的链表中去。遍历链表，如果存在某节点的key值为null，则用新value直接将其替换。如果未找到key值为null的节点，调用addEntry()方法插入一个key为null的新节点。addEntry方法我们会在后文中介绍。
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
为什么这里还要对key的hashCode值再调用一次哈希算法呢？简单来说就是为了让传递进来的key散落位置可以更加均匀，具体原因就不在本文中介绍了，网上有很多资料可供借鉴。
接着调用indexFor方法计算当前key值散落在table中的位置，其实就是key%table.length
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
遍历以table[i]为头结点的链表，查找是否已经有相同的key值的节点存在于链表中。判断条件为if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))。这个判断条件十分重要，我们来仔细分析下。首先是e.hash == hash：之前我们已经计算出了当前待处理节点的hash值，并保存在变量hash中，在此我们需要比较当前链表遍历节点key的hash值(e.hash)和hash是否相等。如果我们去看一下addEntry()方法我们会发现，Entry节点的存储位置实际上是由key的hash值来决定的。如果key的hash相同，那么他们的存储位置也相同。(k = e.key) == key || key.equals(k))。先简单的说一下””和”equals”的意义，””是引用一致性判断，而equals是内容一致性判断。这里的意思也就是说如果两个key对象指向的是同一个对象，或者他们就是同一个对象，则返回true。总结一下，如果hash值相同，则key值相同或是同一个对象的引用，则表示hashmap中存在以key为键值的Entry节点。
如果判断if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))判断条件返回为true，则用新值替换老值。
如果没有找到相同的key值，则调用addEntry()方法新增一个指定key和value的Entry节点。
四、addEntry()方法解析
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
接下来继续看addEntry()方法，假设当前节点为插入到table[bucketIndex]位置的第一个节点
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
在Entry类的构造方法中有这样一句代码:
next = e;
即当前新建的entry节点将指向Entry构造方法传递过来的Entry节点e，此时e保存的值为头结点的值，也就是null。该节点创建完之后，又被赋值给table[bucketIndex]，相当于链表的头结点了保存了最新插入的节点。如下图所示我们在table[i]位置插入了Entry<key1,value1>节点。
如果此时新来一个key2节点，经过散列之后其散落的位置和key1相同。此时key1和key2的散落位置发生了冲突，我们将采用链表来解决该冲突。
还是看那两句代码：
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
- 此时table[buckertIndex]中存放的节点为<key1,value1>，将其赋值给e
- 新建一个Entry节点,key=”key2”,value=”value2”，同时该entry节点next值指向<key1,value1>，同时将table[bucketIndex]的值也被赋为新<key2,value2>节点。
示例图如下图所示。
我们从上面往hashmap中放键值对的过程中可以发现，所有的键值对信息其实都是通过Entry节点来保存的，发生冲突的节点会通过一个链式结构进行保存。同时table[bucketIndex]（相当于头结点）总是保存最后被放入该位置的键值对信息。
另外在addEntry方法中有如下两句代码
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
size的值为当前hashMap中存储的节点个数，threshold是一个阈值。如果hashMap中存储的节点个数大于等于threshold，表示我们需要对当前hashMap进行扩容了。每一次扩充容量为之前容量的2倍。我们来看一下resize()方法。
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
关键代码是这一段
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
如果resize()之前Entry数组的大小为A,那么newTable数组的大小为2A
transfer(newTable)方法用于将原先entry[]数组中的节点转移到newTable数组中，下面我们来看下transfer()方法具体干了什么。
- 将原来的table数组赋值给src数组
- 获取newTable数组的长度，这里为table数组长度的2倍
- 循环遍历src数组，执行下面的操作
a. 取src[j]节点的值赋值给e
b. 如果e节点不为null，将src[j]的值置为null
我们来举两个简单的例子说明一下tranfer到底干了什么：
当src[j]不为空时，比方说src[j]中保存的Entry节点key=”key2”,value=”value2”，src[j]指向的下一个节点key=”key1”,value=”value1”，如下图所示：
- 最开始的时候newTable[]中并没有存放任何Entry节点，只是单纯的进行了初始化。结合上面代码，我们可以看到此时e = entry2节点，next节点值为entry1
- 利用indexFor重新计算出e节点的散列位置。e节点的next指向被初始化后的newTable[i]节点，同时newTabel[i]的值也被赋值为e节点
- 最后执行e = next;此时e等于entry1
形成节点的示意图如下：
接着执行 - next = e.next，此时e的next节点为null，next =null；
- 利用indexFor计算出新的散列位置，比如说新的散列位置为j，此时以newTable[j]为头节点的链表中已经存在了两个节点。如下图所示：
我们将待处理的节点entry节点插入后会变成什么样呢？
简单的来说resize方法就是去逐个遍历table[i]后面的Entry节点链表，利用indexFor方法重新结算节点的散落位置，并将其插入到以newTable[]为头结点的链表中去。
五、get()方法解析
说完了put我们再来看一下get方法
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
private V getForNullKey() {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
理解了put方法时如何往hashmap中放入键值对的，那么get()方法也就很好理解了。我们来具体看看get()方法的实现。
- 如果key值为null，执行getForNullKey()方法。当key值为null时，新的键值对会放到table[0]处，所以我们先去遍历table[0]位置的节点链表，查看是否有key值为null的节点。如果有的话，直接返回value。如果找不到key为null的节点，返回null。
- 如果key值不为null，利用indexFor方法找到当前key所处的table[i]位置，遍历table[i]位置的节点链表。根据e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))来判断是否有相同key值的节点。如果当前位置链表中存在key值相同的Entry节点，返回Entry节点保存的value。如果找不到key值匹配的Entry节点，返回null。
六、remove()方法解析
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}
别看remove方法这么长，其实它的逻辑很简单
- 通过hash()和IndexFor()方法找到当前Entry节点的散列位置i，prev节点为当前节点的上一个节点（初始值为table[i]节点），e节点表示当前节点。
- 比较待删除节点的key值和当前节点的key值是否相符。如果找不到相符的节点，返回null；
如果有相符的节点，且为头结点，e节点的下一个节点将被赋值给table[i]；
如果有相匹配的节点，并且不为头结点，则prev节点不再指向e，而是指向e.next，也即是prev.next = e.next;相当于一个断链操作；
七、HashMap遍历
如果让你写一个hashmap的遍历代码，估计大部分人写出下面这段代码。可是HashMap的遍历过程到底是怎么样的，为什么我们每次取值的时候都使用iter.next()来取值的呢？下面我们就来看看HashMap的遍历实现。
Itreator iter = map.entrySet().itreator();
while(iter.hashNext()){
Map.entry<k,v> entry = (Map.entry<k,v>) iter.next();
}
HashMap类中有一个私有类EntrySet，它继承自AbstractSet类。EntrySet类中有一个iterator()方法，也就是我们上面在遍历hashMap所调用的iterator()方法，它会返回一个Iterator对象。
我们来看看iterator方法：
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
iterator()方法中调用了newEntryIterator()方法，接着进入newEntryIterator()方法看看。
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator() {
return new EntryIterator();
}
newEntryIterator方法又创建了一个EntryIterator对象并返回。这个EntryIterator很关键，我们来具体看看这个类。
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
EntryIterator类继承自HashItertor类，而且HashIterator类只有一个方法next()。既然EntryIterator继承自HashIterator类，那么EntryIterator到底继承了父类的哪些对象，默认实现了父类的哪些方法呢？我们再看看HashIterator类。
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K,V> next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot
Entry<K,V> current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
}
HashIterator类中有四个属性，它们的用处代码注释已经简单明了的介绍了。值得注意的是HashIterator()提供了一个无参的构造方法，然而他并没有对所有的属性进行初始化，在这里我们需要明确的是index的值将会被赋为0。同时后面还有一大段，它干了什么呢？
- 首先是Entry[] t = table；将当前存储头结点的Entry[]数组table赋值给t；
- 接着执行一个while循环
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
当index大于table的长度，或者当前t[index]位置保存的节点不为空时，将会结束while循环。也就是说该循环目的是为了找出table[]数组中第一个存储了Entry对象的位置，并用index变量记录该位置。
我们再总结一下！当Itreator iter = map.entrySet().itreator();这句代码结束之后，我们获得了一个Iterator对象，这个对象保存了当前hashMap的modCount值，index用于标识table[]数组中第一个不为null的位置，同时next的初始值也等同于table[index]的值。
while(iter.hashNext())
当前对象实际上为HashIterator对象，HashIterator对象的hasNext()方法十分的简单
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
Map.entry<k,v> entry = (Map.entry<k,v>) iter.next();
再梳理一下逻辑，EntryIterator 有一个方法next
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
final Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
如果modCount值不等于expectedModCount，表示在当前遍历过程中，HashMap可能被其他线程修改过，我们需要抛出ConcurrentModificationException异常，这也就是我们常说fast-fail。同时新建一个Entry节点e，赋值为next(第一次进来是next指向的就是table[]数组中第一个不为null的头结点)。
如果说当前节点的下一个节点为null，相当于遍历到了当前table[i]所指向链表的最后一个节点。此时我们应当去寻找table数组中下一个头结点不为null的位置。
执行while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) 找到下一个不为null的头结点，并保存到next节点中。
返回当前节点e
到此为止，我们已经大致的介绍了HashMap数据结构put(),get(),remove()以及遍历的实现，如果错误之处，欢迎指出，共同进步！
