java容器三：HashMap源码解析
前言：Map接口
map是一个存储键值对的集合，实现了Map接口的主要类有以下几种
TreeMap：用红黑树实现
HashMap:数组和链表实现
HashTable:与HashMap类似，但是线程安全
LinkedHashMap:与HashMap类似，但是内部有一个双向链表来维持插入顺序或其他某种要求的顺序
下面来介绍HashMap的具体信息
存储结构
链表
1 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>{ 2 final int hash; 3 final K key; 4 V value; 5 Node<K,V>next; 6 }
Node<K,V>是用来存储一个键值对的，从next上我们可以看出这是一个链表结构，每一条链表上存储的是hash值相同的结点也就是键值对
哈希桶
1 transient Node<K,V>[] table;
哈希桶是一个数组结构，数组的每一个元素保存一条链表
所以HashMap内部是采用“拉链法”来实现，示意图如下
确定桶下标
确定桶下标也就是确定键值对保存在数组中的下标，是根据key的哈希值来确定的，是用key的哈希值取模桶的长度得到。
虽然key的hashCode是int型取值有40多亿，但是由于桶长度远远小于hashCode能够取到的值，就会常常发生取模后得到的下标值相同的情景，
这称为“哈希碰撞”。为了解决这个问题，java设置了扰动函数来尽量减少哈希碰撞，就是代码中的hash()函数
1 /**找到存放该key的桶的下标时，是通过hashCode与桶的长度取余得到的。 2 *由于取余是通过与操作完成的，会忽略hash值的高位。 3 * 扰动函数就是为了解决hash碰撞的。它会综合hash值高位和低位的特征，并存放在低位，因此在与运算时， 4 * 相当于高低位一起参与了运算，以减少hash碰撞的概率。（在JDK8之前，扰动函数会扰动四次，JDK8简化了这个操作） 5 */ 6 static final int hash(Object key) { 7 int h; 8 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); 9 }
扩容方法
介绍
设 HashMap 的 table 长度为 M，需要存储的键值对数量为 N，如果哈希函数满足均匀性的要求，那么每条链表的长度大约为 N/M，因此平均查找次数的复杂度为 O(N/M)。
为了让查找的成本降低，应该尽可能使得 N/M 尽可能小，因此需要保证 M 尽可能大，也就是说 table 要尽可能大。HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值，使得空间效率和时间效率都能得到保证。
和扩容相关的参数主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。
| 变量 | 含义 |
| capicity | 哈希桶的容量，默认为16，注意capicity一定是2的N次方（因为hashmap中很多运算都是用位运算代替的，2的N次方才会使位运算满足代码逻辑） |
| size | 键值对的数量 |
| threshold | 阀值。当键值对的数量size>threshold的时候就会发生扩容 |
| load_factor | 装载因子。threshold = capicity*load_factor |
扩容方法源码解析
1 final Node<K,V>[] resize() { 2 //初始哈希桶 3 Node<K,V>[] oldTab = table; 4 //初始哈希桶容量 5 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; 6 //初始阀值 7 int oldThr = threshold; 8 //设置新的哈希桶容量和阀值都为0 9 int newCap, newThr = 0; 10 //当前容量>0 11 if (oldCap > 0) { 12 //如果旧哈希桶容量超过最大值，将阀值设为int的最大值1<<31-1,不扩容直接返回旧哈希桶 13 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 14 threshold = Integer.MAX_VALUE; 15 return oldTab; 16 }//否则新的容量为旧的容量的2倍 17 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && 18 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) 19 //阀值也为旧阀值的2倍 20 newThr = oldThr << 1; // double threshold 21 }//当前哈希桶是空的，但是有阀值的，代表的是初始设置了容量和阀值的情况 22 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold 23 newCap = oldThr; 24 else { //当前哈希表是空的且没有阀值，代表的是无参构造器的情况，则需要进行初始化 25 // zero initial threshold signifies using defaults 26 //容量设置为默认容量16 27 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; 28 //阀值设置为默认容量*默认加载因子 29 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); 30 } 31 if (newThr == 0) { 32 float ft = (float)newCap * loadFactor; 33 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? 34 (int)ft : Integer.MAX_VALUE); 35 } 36 //更新阀值 37 threshold = newThr; 38 //根据新的容量创造新的哈希桶 39 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) 40 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; 41 //更新哈希桶引用 42 table = newTab; 43 //旧哈希桶不为空，将旧表中的数据复制到新哈希桶里 44 if (oldTab != null) { 45 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 46 Node<K,V> e; 47 if ((e = oldTab[j]) != null) { 48 //将旧哈希桶里的元素设为null，方便GC 49 oldTab[j] = null; 50 //若原来链表上只有一个节点（不会发生哈希碰撞） 51 if (e.next == null) 52 /* 则只需要将其放到新的哈希桶里 53 * 桶的下标值是哈希值&（桶的长度-1），由于桶的长度是2的N次方，因此这实际上是个模运算 54 * 但是用位运算效率更高 55 */ 56 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; 57 //如果链表的长度超过了阀值则要转为红黑树存储，暂且不讨论 58 else if (e instanceof TreeNode) 59 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); 60 //链表长度不超过阀值，将旧链表中的节点复制到新链表中 61 else { // preserve order 62 /*因为容量是翻倍扩大的，因此原链表上的节点可能放在存放在原来的位置上也就是low位 63 * 也可能存放在扩容后的下标上high上 64 * high = low+原哈希桶容量 65 */ 66 //低位链表头指针和尾指针 67 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; 68 //高位链表头指针和尾指针 69 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; 70 Node<K,V> next; 71 do { 72 next = e.next; 73 /*利用位运算判断是放在低位链表还是高位链表 74 * 利用哈希值 与 旧的容量，可以得到哈希值去模后，是大于等于oldCap还是小于oldCap， 75 * 等于0代表小于oldCap，应该存放在低位，否则存放在高位 76 */ 77 if ((e.hash & oldCap) == 0) { 78 if (loTail == null) 79 loHead = e; 80 else 81 loTail.next = e; 82 loTail = e; 83 } 84 else { 85 if (hiTail == null) 86 hiHead = e; 87 else 88 hiTail.next = e; 89 hiTail = e; 90 } 91 } while ((e = next) != null); 92 //将低位链表放在原index处 93 if (loTail != null) { 94 loTail.next = null; 95 newTab[j] = loHead; 96 } 97 //将高位链表放在新index处 98 if (hiTail != null) { 99 hiTail.next = null; 100 newTab[j + oldCap] = hiHead; 101 } 102 } 103 } 104 } 105 } 106 return newTab; 107 }
put方法
jdk1.8采取的是“尾插法”，在此之前采用的是“头插法”
1 public V put(K key, V value) { 2 return putVal(hash(key), key, value, false, true); 3 } 4 5 /** 6 * Implements Map.put and related methods 7 * 8 * @param hash hash for key 9 * @param key the key 10 * @param value the value to put 11 * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 12 * @param evict if false, the table is in creation mode. 13 * @return previous value, or null if none 14 * jdk1.8以前是头插法，jdk1.8是尾插法 15 * jdk1.8以前也没有转为成红黑树的设置，1.8中当链表长度大于threshold(默认为8)之后会转为红黑树 16 */ 17 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 18 boolean evict) { 19 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; 20 //若哈希桶为空，则直接初始化 21 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 22 n = (tab = resize()).length; 23 //如果当前index=hash&(n-1)处的节点是空的，代表没有发生哈希碰撞 24 //则直接生成一个新的node挂载上去 25 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 26 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 27 else {//发生了哈希碰撞 28 Node<K,V> e; K k; 29 //如果哈希值相同，key值也相同则覆盖 30 if (p.hash == hash && 31 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 32 e = p; 33 else if (p instanceof TreeNode)//红黑树暂且不谈 34 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 35 else {//不是覆盖操作，则插入一个普通节点 36 //遍历链表 37 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 38 //找到尾节点 39 if ((e = p.next) == null) { 40 //插入节点 41 p.next = newNode(hash, key, value, null); 42 //如果追加节点后数量大于8则变成红黑树 43 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 44 treeifyBin(tab, hash); 45 break; 46 } 47 if (e.hash == hash && 48 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 49 break; 50 p = e; 51 } 52 } 53 //如果e不是null,说明有需要覆盖的节点 54 if (e != null) { // existing mapping for key 55 V oldValue = e.value; 56 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 57 //覆盖原来Value并返回OldValue 58 e.value = value; 59 //空实现函数，用作LinkedHashMap重写复用 60 afterNodeAccess(e); 61 return oldValue; 62 } 63 } 64 ++modCount; 65 //判断size是否需要扩容 66 if (++size > threshold) 67 resize(); 68 //空实现函数，用作LinkedHashMap重写复用 69 afterNodeInsertion(evict); 70 return null; 71 }
get方法
1 public V get(Object key) { 2 Node<K,V> e; 3 return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; 4 } 5 6 /** 7 * Implements Map.get and related methods 8 * 9 * @param hash hash for key 10 * @param key the key 11 * @return the node, or null if none 12 */ 13 final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { 14 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; 15 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && 16 (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { 17 if (first.hash == hash && // always check first node 18 ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 19 return first; 20 if ((e = first.next) != null) { 21 if (first instanceof TreeNode) 22 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); 23 //循环链表，找到key扰动后的哈希值和key值都相等的Node返回 24 do { 25 if (e.hash == hash && 26 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 27 return e; 28 } while ((e = e.next) != null); 29 } 30 } 31 return null; 32 }
HashMap与HashTable比较
1、HashMap允许一个key为null，HashTable不予许
2、HashTable是线程安全的，因为给方法都加了synchronzied关键字
1 public synchronized V put(K key, V value) { 2 // Make sure the value is not null 3 if (value == null) { 4 throw new NullPointerException(); 5 } 6 7 // Makes sure the key is not already in the hashtable. 8 Entry<?,?> tab[] = table; 9 int hash = key.hashCode(); 10 int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; 11 @SuppressWarnings("unchecked") 12 Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index]; 13 for(; entry != null ; entry = entry.next) { 14 if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) { 15 V old = entry.value; 16 entry.value = value; 17 return old; 18 } 19 } 20 21 addEntry(hash, key, value, index); 22 return null; 23 }
3、HashMap计算桶下标的时候运用了扰乱函数，HashTable直接用key的hashCode值
4、HashMap迭代器是fail-fast迭代器
5、HashMap不能保证随着时间推移元素的次序不变
6、HashMap扩容时扩大一倍，HashTable扩容时扩大一倍+1
7、HashMap中用了许多的位运算来代替HashTable中相同作用的普通乘除运算，效率更高
1）取模桶长度求下标时，用hashCode与（桶长度-1）代替取模运算
2）扩容操作判断放在低位链表还是高位链表时
1 /*利用位运算判断是放在低位链表还是高位链表 2 * 利用哈希值 与 旧的容量，可以得到哈希值去模后，是大于等于oldCap还是小于oldCap， 3 * 等于0代表小于oldCap，应该存放在低位，否则存放在高位 4 */ 5 if ((e.hash & oldCap) == 0) { 6 if (loTail == null) 7 loHead = e; 8 else 9 loTail.next = e; 10 loTail = e; 11 } 12 else { 13 if (hiTail == null) 14 hiHead = e; 15 else 16 hiTail.next = e; 17 hiTail = e; 18 }
注意
1、jdk1.8中链表的长度大于8时就会转化成红黑树存储
2、在jdk1.8以前put方法是采取头插法的，jdk1.8中改成了尾插法
3、HashMap是线程不安全的
keep positive and calm，then go on
