HashMap【源码解析】
简介
HashMap基于哈希表的Map接口实现，是以key-value存储形式存在，即主要用来存放键值对。HashMap的实现不是同步的，这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。此外，HashMap中的映射不是有序的。
JDK1.8 之前 HashMap由数组+链表组成的，数组是 HashMap的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突(两个对象调用的hashCode方法计算的哈希码值一致导致计算的数组索引值相同)而存在的（“拉链法”解决冲突）。
JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（或者红黑树的边界值，默认为 8）并且当前数组的长度大于64时，此时此索引位置上的所有数据改为使用红黑树存储。当链表长度小于等于 6 时，转为链表。
这样做的目的是因为数组比较小，尽量避开红黑树结构，这种情况下变为红黑树结构，反而会降低效率，因为红黑树需要进行左旋，右旋，变色这些操作来保持平衡 。同时数组长度小于64时，搜索时间相对要快些。所以综上所述为了提高性能和减少搜索时间。
基本属性
/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认容量大小（必须是二的n次幂）
/**
* The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
* by either of the constructors with arguments.
* MUST be a power of two <= 1<<30.
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //最大容量（必须是二的n次幂）
/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //默认负载因子（默认的0.75）
/**
* The bin count threshold for using a tree rather than list for a
* bin. Bins are converted to trees when adding an element to a
* bin with at least this many nodes. The value must be greater
* than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
* tree removal about conversion back to plain bins upon
* shrinkage.
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; //当链表的值超过8则会转红黑树(1.8新增)
/**
* The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
* resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
* most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
*/
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //当链表的值小于6则会从红黑树转回链表
/**
* The smallest table capacity for which bins may be treeified.
* (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
* Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
* between resizing and treeification thresholds.
*/
//当Map里面的容量（即表长度）超过这个值时，链表才能进行树形化 ，否则元素太多时会扩容，而不是树形化
//为了避免进行扩容、树形化选择的冲突，这个值不能小于 4 * TREEIFY_THRESHOLD（因此树形化有两个条件，表长度 > 64 and 链表长度 > 8）
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
/* ---------------- Fields -------------- */
/**
* The table, initialized on first use, and resized as
* necessary. When allocated, length is always a power of two.
* (We also tolerate length zero in some operations to allow
* bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
*/
transient Node<K,V>[] table; // table用来初始化，类似容器来存放元素(必须是二的n次幂)
/**
* Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
* for keySet() and values().
*/
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; // 用来存放缓存
/**
* The number of key-value mappings contained in this map.
*/
transient int size; // Map中存储的元素数量
/**
* The number of times this HashMap has been structurally modified
* Structural modifications are those that change the number of mappings in
* the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g.,
* rehash). This field is used to make iterators on Collection-views of
* the HashMap fail-fast. (See ConcurrentModificationException).
*/
transient int modCount; // 用来记录HashMap的修改次数
/**
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
*
* @serial
*/
// (The javadoc description is true upon serialization.
// Additionally, if the table array has not been allocated, this
// field holds the initial array capacity, or zero signifying
// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
int threshold; // 阈值，用来调整大小下一个容量的值（计算方式为容量*负载因子)
/**
* The load factor for the hash table.
*
* @serial
*/
final float loadFactor; // 负载因子，创建HashMap也可调整，比如你希望用更多的空间换取时间，可以把负载因子调的更小一些，减少碰撞。
继承关系
以上为HashMap的一个继承关系图，从中可以看到分别实现了Cloneable、Serializable接口，继承了抽象类AbstractMap<K,V>，并且该抽象类实现了Map<K,V>接口。
HashMap 继承了 AbstractMap 抽象类，而 AbstractMap 实现了 Map 接口，是一个 K,V 存储方式，允许 null Key、 null Value
扩容机制
触发条件:
-
容量（capacity）：HashMap 内部用来存储数据的数组大小。初始时，默认的容量为
16。 -
负载因子（load factor）：负载因子是一个表示 HashMap 充满程度的参数。当 HashMap 中存储的元素数量达到容量乘以负载因子时，HashMap 会进行扩容操作。默认的负载因子是
0.75。
HashMap 扩容的具体过程如下：
-
当向 HashMap 中添加元素时，如果元素的数量（size）超过了负载因子乘以当前容量（即
size > loadFactor * capacity），HashMap 就会进行扩容操作。 -
扩容操作会将 HashMap 中的数组容量翻倍，并且重新计算每个元素在新数组中的位置。这个过程涉及到重新计算哈希值，并将元素放入新的数组位置。
-
扩容操作比较耗时，因为需要重新计算哈希值，并且可能涉及到大量的数据复制。因此，尽量在使用 HashMap 时给定一个合适的初始容量，以减少扩容次数，提高性能。
源码
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
hash函数
计算方式
对于key的hashCode做hash操作，无符号右移(>>>)16位然后做异或(^)运算。
/**
* Computes key.hashCode() and spreads (XORs) higher bits of hash
* to lower. Because the table uses power-of-two masking, sets of
* hashes that vary only in bits above the current mask will
* always collide. (Among known examples are sets of Float keys
* holding consecutive whole numbers in small tables.) So we
* apply a transform that spreads the impact of higher bits
* downward. There is a tradeoff between speed, utility, and
* quality of bit-spreading. Because many common sets of hashes
* are already reasonably distributed (so don't benefit from
* spreading), and because we use trees to handle large sets of
* collisions in bins, we just XOR some shifted bits in the
* cheapest possible way to reduce systematic lossage, as well as
* to incorporate impact of the highest bits that would otherwise
* never be used in index calculations because of table bounds.
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
hash碰撞
只要两个元素的key计算的哈希码值相同就会发生哈希碰撞。jdk8前使用链表解决哈希碰撞。jdk8之后使用链表+红黑树解决哈希碰撞。
因为HashMap是由数组加链表/红黑树组成。平时存储的元素都是在这个数组中。我们也称之为“hash桶”，那么计算出两个相同的hash值，我们就需要使用equals比较内容，如果两个内容不同。我们就需要在同一个位置存储。按照常规思路是不可能实现的。于是乎，在每个hash桶的位置存放链表或者红黑树。以此来存储我们的数据。当然如果equals相同，那么就覆盖之前的值即可。
容量2的n次幂
//默认的初始容量是16 -- 1<<4相当于1*2的4次方---1*16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
为什么是2的n次幂？
当向HashMap中添加一个元素的时候，需要根据key的hash值，去确定其在数组中的具体位置。 HashMap为了存取高效，要尽量较少碰撞，就是要尽量把数据分配均匀，每个链表长度大致相同，这个实现就在把数据存到哪个链表中的算法。
这个算法实际就是取模，hash%length，计算机中直接求余效率不如位移运算(这点上述已经讲解)。所以源码中做了优化,使用 hash&(length-1)，而实际上hash%length等于hash&(length-1)的前提是length是2的n次幂。
为什么这样能均匀分布减少碰撞呢？2的n次方实际就是1后面n个0，2的n次方-1 实际就是n个1；
说明：按位与运算：相同的二进制数位上，都是1的时候，结果为1，否则为零。
例如长度为8时候，3&(8-1)=3 2&(8-1)=2 ，不同位置上，不碰撞；
例如长度length为8时候，8是2的3次幂。二进制是：1000
length-1 二进制运算：
1000
- 1
---------------------
111
如下所示：
hash&(length-1)
3 &(8 - 1)=3
00000011 3 hash
& 00000111 7 length-1
---------------------
00000011-----》3 数组下标
hash&(length-1)
2 & (8 - 1) = 2
00000010 2 hash
& 00000111 7 length-1
---------------------
00000010-----》2 数组下标
说明：上述计算结果是不同位置上，不碰撞；
如果创建HashMap对象时，输入的数组长度是10，不是2的幂，HashMap通过位移运算和或运算得到的肯定是2的幂次数，并且是离那个数最近的数字。
源码如下
//创建HashMap集合的对象，指定数组长度是10，不是2的幂
HashMap hashMap = new HashMap(10);
public HashMap(int initialCapacity) {//initialCapacity=10
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {//initialCapacity=10
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);//initialCapacity=10
}
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {//int cap = 10
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
当在实例化HashMap实例时，如果给定了initialCapacity(假设是10)，由于HashMap的capacity必须都是2的幂，因此这个方法用于找到大于等于initialCapacity(假设是10)的最小的2的幂（initialCapacity如果就是2的幂，则返回的还是这个数）。
下面分析这个算法：
-
首先，为什么要对cap做减1操作。int n = cap - 1; 这是为了防止，cap已经是2的幂。如果cap已经是2的幂， 又没有执行这个减1操作，则执行完后面的几条无符号右移操作之后，返回的capacity将是这个cap的2倍。如果不懂，要看完后面的几个无符号右移之后再回来看看。 下面看看这几个无符号右移操作：
-
如果n这时为0了（经过了cap-1之后），则经过后面的几次无符号右移依然是0，最后返回的capacity是 1（最后有个n+1的操作）。 这里只讨论n不等于0的情况。
-
注意：|（按位或运算）：运算规则：相同的二进制数位上，都是0的时候，结果为0，否则为1。
增加方法
put方法是比较复杂的，实现步骤大致如下：
-
先通过hash值计算出key映射到哪个桶；
-
如果桶上没有碰撞冲突，则直接插入；
-
如果出现碰撞冲突了，则需要处理冲突：
a:如果该桶使用红黑树处理冲突，则调用红黑树的方法插入数据；
b:否则采用传统的链式方法插入。如果链的长度达到临界值，则把链转变为红黑树；
-
如果桶中存在重复的键，则为该键替换新值value；
-
如果size大于阈值threshold，则进行扩容；
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* Implements Map.put and related methods.
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
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;
}
HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。 所以我们重点看putVal方法。
我们可以看到在putVal()方法中key在这里执行了一下hash()方法,来看一下Hash方法是如何实现的。
static final int hash(Object key)
{
int h;
/*
1）如果key等于null：
可以看到当key等于null的时候也是有哈希值的，返回的是0.
2）如果key不等于null：
首先计算出key的hashCode赋值给h,然后与h无符号右移16位后的二进制进行按位异或得到最后的 hash值
*/
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
从上面可以得知HashMap是支持Key为空的，而HashTable是直接用Key来获取HashCode所以key为空会抛异常。
其实上面就已经解释了为什么HashMap的长度为什么要是2的幂因为HashMap 使用的方法很巧妙，它通过 hash & (table.length -1)来得到该对象的保存位，前面说过 HashMap 底层数组的长度总是2的n次方，这是HashMap在速度上的优化。
当 length 总是2的n次方时，hash & (length-1)运算等价于对 length 取模，也就是hash%length，但是&比%具有更高的效率。比如 n % 32 = n & (32 -1)。
我们先研究下key的哈希值是如何计算出来的。key的哈希值是通过上述方法计算出来的。
这个哈希方法首先计算出key的hashCode赋值给h,然后与h无符号右移16位后的二进制进行按位异或得到最后的 hash值。计算过程如下所示：
static final int hash(Object key)
{
int h;
/*
1）如果key等于null：
可以看到当key等于null的时候也是有哈希值的，返回的是0.
2）如果key不等于null：
首先计算出key的hashCode赋值给h,然后与h无符号右移16位后的二进制进行按位异或得到最后的 hash值
*/
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
在putVal函数中使用到了上述hash函数计算的哈希值：
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
。。。。。。。。。。。。。。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//这里的n表示数组长度16
。。。。。。。。。。。。。。
}
删除方法
删除的话就是首先先找到元素的位置，如果是链表就遍历链表找到元素之后删除。如果是用红黑树就遍历树然后找到之后做删除，树小于6的时候要转链表。
删除remove方法：
//remove方法的具体实现在removeNode方法中，所以我们重点看下removeNode方法
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
//根据hash找到位置
//如果当前key映射到的桶不为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
//如果桶上的节点就是要找的key，则将node指向该节点
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
//说明节点存在下一个节点
if (p instanceof TreeNode)
//说明是以红黑树来处理的冲突，则获取红黑树要删除的节点
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
//判断是否以链表方式处理hash冲突，是的话则通过遍历链表来寻找要删除的节点
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
//比较找到的key的value和要删除的是否匹配
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
//通过调用红黑树的方法来删除节点
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
//链表删除
tab[index] = node.next;
else
p.next = node.next;
//记录修改次数
++modCount;
//变动的数量
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
查找元素方法
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
//如果哈希表不为空并且key对应的桶上不为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
/*
判断数组元素是否相等
根据索引的位置检查第一个元素
注意：总是检查第一个元素
*/
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 如果不是第一个元素，判断是否有后续节点
if ((e = first.next) != null) {
// 判断是否是红黑树，是的话调用红黑树中的getTreeNode方法获取节点
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
// 不是红黑树的话，那就是链表结构了，通过循环的方法判断链表中是否存在该key
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
get方法实现的步骤：
-
通过hash值获取该key映射到的桶
-
桶上的key就是要查找的key,则直接找到并返回
-
桶上的key不是要找的key,则查看后续的节点：
a:如果后续节点是红黑树节点，通过调用红黑树的方法根据key获取value
b:如果后续节点是链表节点，则通过循环遍历链表根据key获取value
final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) {
return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null);
}
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
TreeNode<K,V> p = this;
do {
int ph, dir; K pk;
TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
if ((ph = p.hash) > h)
p = pl;
else if (ph < h)
p = pr;
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;//找到之后直接返回
else if (pl == null)
p = pr;
else if (pr == null)
p = pl;
else if ((kc != null ||
(kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
p = (dir < 0) ? pl : pr;
//递归查找
else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
return q;
else
p = pl;
} while (p != null);
return null;
}
浙公网安备 33010602011771号