HashMap - 基于哈希表和 Map 接口的键值对利器 （JDK 1.7）

HashMap 的一些整理： (JDK 1.7)

• 基于哈希表的Map接口的非同步实现，定义了键映射到值的规则
• 此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键
• 此实现假定哈希函数将元素适当分布在各桶之间，为读取操作提供稳定性能
• 迭代时间与实例容量(桶的数量)及其大小(键-值映射关系数)成正比

■ 类定义

public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

• 继承 AbstractMap抽象类，实现了Map接口
• 实现 Cloneable接口
• 实现 java.io.Serializable 接口，支持序列化

HashMap - “链表散列” (数组+单向链表)， 数组每一项都是一条链的数据结构 【冲突解决方案-封闭寻址方法】

 

■ 重要的全局变量

//The default initial capacity - MUST be a power of two.
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
//The maximum capacity - MUST be a power of two <= 1<<30.
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//The load factor used when none specified in constructor.
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
transient Entry<K,V>[] table;
//The number of key-value mappings contained in this map.
transient int size;
//The next size value at which to resize (capacity * load factor).
int threshold;
//The load factor for the hash table.
final float loadFactor;
/**
  * 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;

 

■ 构造器

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    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);
    // Find a power of 2 >= initialCapacity
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;
        this.loadFactor = loadFactor;
        //阈值为容量*负载因子和最大容量+1之间的最小值 以此值作为容量翻倍的依据(不能超过最大容量)
        threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        //初始化一个2次幂的Entry类型数组 一个桶对应一个Entry对象
        table = new Entry[capacity];
        useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() && 
        (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
        init();
}

    - Entry

/**
  * 静态类 默认实现内部Entry接口 (接口中可定义内部接口-Map.Entry接口为Map的内部接口)
  * PS:JDK8中引入default，作用为在接口中定义默认方法实现
  */
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;//key具有引用不可变特性
    V value;
    Entry<K,V> next;//next指向下一个：单向链表，头插入
    final int hash;
    ……
}

 

■ HashMap 重要方法

　- put(k, v)

/**
  * 存放键值对
  * 允许存放null的key和null的value
  * @return key不存在返回null，否则返回旧值
  */
public V put(K key, V value) {
    /**
     * 1.针对key为null的处理有两种方式：
     *  1.1从tab[0]开始向后遍历，若存在key为null的entry，则覆盖其的value
     *  1.2遍历完成但仍不存在key为null的entry，则新增key为null的entry
     * 准则：一个HashMap只允许有一个key为null的键值对
     * 注意：由于hash(null) = 0，因此key=null的键值对永远在tab[0]
     */
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    /**
     * 根据key的hashCode并结合hash()算法计算出新的hash值
     * 目的是为了增强hash混淆 -> 因为key.hashCode()很可能不太靠谱
     * 而HashMap是极度依赖hash来实现元素离散的，通俗来说就是
     * 尽可能的让键值对可以分到不同的桶中以便快速索引
     */
    int hash = hash(key);
    //2.根据hash计算该元素所在桶的位置 -> 即数组下标索引
    int i = indexFor(hash, table.length);
    /**
     * 3.遍历链表，若该key存在则更新value，否则新增entry
     *   判断该key存在的依据有两个：
     *     1.key的hash一致
     *     2.key一致(引用一致或字符串一致)
     *   put操作遵循：有则更新，无则新增
     */
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        //使用临时变量k临时存储遍历时的e.key -> 主要是为了代码复用
        Object k;
        //hash一致 && (key引用相同 或 key字符串比较相同)
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))){
            //值更新
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            //钩子方法
            e.recordAccess(this);
            //返回旧值
            return oldValue;
        }
    }
    //put操作属于结构变更操作
    modCount++;
    //无则新增
    addEntry(hash, key, value, i);
    //该key不存在就返回null -> 即新增返回null
    return null;
}

   - hash()

//JDK1.7
final int hash(Object k) {
    int h = 0;
    if (useAltHashing) {
        if (k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }
        h = hashSeed;
    }
    //异或就是两个数的二进制形式，按位对比，相同取0，不同取一
    //此算法加入了高位计算，防止低位不变，高位变化时，造成的 hash 冲突
    h ^= k.hashCode();
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

//JDK1.8 扰动函数 -> 散列值优化函数
static final int hash(Object key) {
    int h;
    //把一个数右移16位即丢弃低16为，就是任何小于2^16的数，右移16后结果都为0
    //2的16次方再右移刚好就是1 同时int最大值为32位
    //任何一个数，与0按位异或的结果都是这个数本身
    //为indexFor做准备
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

   - indexFor()

/**
  * Int范围(2^32)从-2147483648到2147483648，加起来大概40亿空间，内存不能直接读取
  * 用之前还要先做对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来访问数组下标
  * @Param h 根据hash方法得到h
  * @Param length 一定是2次幂
  */
static int indexFor(int h, int length) {
    //2次幂-1 返回的结果的二进制为永远是都是1 比如 15 -> 1111 (16 -> 10000)
    //与运算 只有 1 & 1 = 1 正好相当于一个“低位掩码” (二进制表示)
    //如果length-1中某一位为0，则不论h中对应位的数字为几，对应位结果都是0，这样就让两个h取到同一个结果，hash冲突
    //同时这个操作可以保证索引不会大于数组的大小(见开头的描述)
    return h & (length-1);
}

  - addEntry()

//该方法为包访问 package java.util(本包私有性高于子类)
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //当前容量超过阈值 && 当前坐标数组非空
    //有个优雅的设计在于，若bucketIndex处没有Entry对象，那么新添加的entry对象指向null，从而就不会有链了
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);//容量扩容一倍
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;//hash重新计算
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);//index重新计算
    }
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);//新增Entry元素到数组的制定下标位置
}
//该方法为包访问 package java.util
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry
    // 形成链表，新加入的放入链表头部，最先加入的放入尾部
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

 

■ 关于indexFor 和 hash方法的进一步解读

• hashCode返回的-2147483648到2147483648的int值，加起来大概40亿的映射空间。只要哈希函数映射比较均匀松散，一般很难出现碰撞key.hashCode()
• 但问题是40亿长度数组，内存放不下，该散列值不能直接拿来用。用之前必须先对数组长度取模运算，得到的余数才能来访问数组下标indexFor()
• 长度取2的整次幂，而length-1时正好相当于一个低位掩码。与操作的结果就是散列的高位全部归零，只保留低位值，用作下标访问 
  

  10100101 11000100 00100101
  & 00000000 00000000 00001111
  00000000 00000000 00000101 //高位全部归零，只保留末四位

• 但问题是，无论散列值再松散，但只取最后几位，碰撞也很严重。更要命的是如果散列本身做的不好，分布上成等差数列，就会出现规律性重复，这时候就需要扰动函数进行打散优化.

• 扰动函数生效：
  扰动函数
  右位移16位(32位一半)，让高半区和低半区做异或，目的是混合原始哈希码的高位和低位，以此来加大低位的随机性。而且混合后的低位包含高位的部分特征，这样高位的信息也变相保留下来

• 当长度非2次幂(最后一位永远是0)，进行与运算(只有都为1得1，否则为0)，会造成最后一位永远是0，那最后一位就无法使用，导致(1)空间的巨大浪费。同时可使用的位置比原数组长度小很多，(2)进一步增加了碰撞的几率

 

■ Fail-Fast 机制

• 当使用迭代器的过程中有其他线程修改了map，将抛出ConcurrentModificationException

transient int modCount;//修改计数 put、remove或clear时mount++ clear时清空
HashIterator() {
    expectedModCount = modCount;
    if (size > 0) {
    Entry[] t = table;
    while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)  
        ;
    }
}
final Entry<K,V> nextEntry() {
    //期望变更数量不匹配
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();

 

 - remove()

public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}

/**
  * Removes and returns the entry associated with the specified key
  * in the HashMap.  Returns null if the HashMap contains no mapping
  * for this key.
  */
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    Entry<K,V> prev = table[i];//用于记录该key的前一个元素(默认先从队首开始)
    Entry<K,V> e = prev;//从队首开始往队尾遍历
    //遍历key所在链表
    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++;//remove属于结构性改造，modCount计数+1
            size--;//当前Map的有效元素数量-1
            if (prev == e)
                table[i] = next;//若当前key正好位于队首，则队首指向next
            else 
                prev.next = next;//若当前key不位于队首，则该key之前的元素的next指向该key的下一个元素
            e.recordRemoval(this);//LinkedHashMap专用方法
            return e;
        }
        //继续往队尾找
        prev = e;//指向当前循环元素的上一个元素
        e = next;//指向下一次循环元素
    }
    return e;
}

 

■ HashMap 迭代几种方式

package utilsFrameworks;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Random;

/**
 * Created by romanDev on 2017/7/30.
 * @details Map的几种迭代方式
 * @note 【2017 java's day】
 */
public class IteratorMap {
    public static void main(String[] args) {
        Random rand = new Random(47);
        Map<Integer, Object> map = new HashMap<Integer, Object>();
        for(int i=0;i<100;i++) {
            int r = rand.nextInt(20);
            Integer freq = (Integer) map.get(r);
            map.put(r, freq == null? 1: freq+1);  //三目
        }
        System.out.println(map);

        //遍历方法一
        /*for (Integer key : map.keySet()) {
            System.out.println("key="+ key + " and value=" + map.get(key));
        }*/
        
        //遍历方法二
        /*Iterator<Map.Entry<Integer,Object>> it = map.entrySet().iterator();
        while (it.hasNext()) {
            Map.Entry<Integer, Object> entry = it.next();
            System.out.println("key=" + entry.getKey() + " and value=" + entry.getValue());
        }*/

        //遍历方法三 (推荐)
        for (Map.Entry<Integer,Object> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println("key=" + entry.getKey() + ", value=" + entry.getValue());
        }
    }
    
}

 

PS：感谢好基友Kira 的友情帮助，部分文章内容转载于 【集合番@HashMap一文通(1.7版) 由 黄志鹏kira】