自学Java HashMap源码

自学Java HashMap源码
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参考:http://zhangshixi.iteye.com/blog/672697

HashMap概述

  HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用null值和null键,存储的对象是一个键值对对象(Entry<K,V>)。此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变。
  注意这里研究的是JDK7之前的版本,JDK8HashMap采用的是数组+链表+红黑树的形式。

HashMap的数据结构

  基于数组和链表实现,内部维护着一个数组table,该数组保存着每个链表的表头结点;查找时,先通过hash函数计算key的hash值,再根据key的hash值计算数组索引(取余法),然后根据索引找到链表表头结点,然后遍历查找该链表。
  示意图如下,左边的数组索引是根据key的hash值计算得到,不同hash值有可能产生一样的索引,即哈希冲突,此时采用链地址法处理哈希冲突,即将所有索引一致的节点构成一个单链表;

HashMap继承的类与实现的接口

源码如下:

/** 
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. 
 */  
transient Entry[] table;  
  
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
    final K key;  
    V value;  
    Entry<K,V> next;  
    final int hash;  
    ……  
}  

  可以看出,Entry就是数组中的元素,每个 Map.Entry 其实就是一个key-value对,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表。

HashMap的存取实现

1) 存储:

public V put(K key, V value) {  
    // HashMap允许存放null键和null值。  
    // 当key为null时,调用putForNullKey方法,将value放置在数组第一个位置。  
    if (key == null)  
        return putForNullKey(value);  
    // 根据key的keyCode重新计算hash值。  
    int hash = hash(key.hashCode());  
    // 搜索指定hash值在对应table中的索引。  
    int i = indexFor(hash, table.length);  
    // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null,通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。  
    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;  
        }  
    }  
    // 如果i索引处的Entry为null,表明此处还没有Entry。  
    // modCount记录HashMap中修改结构的次数
    modCount++;  
    // 将key、value添加到i索引处。  
    addEntry(hash, key, value, i);  
    return null;  
} 

  从上面的源代码中可以看出:当我们往HashMap中put元素的时候,先根据key的hashCode重新计算hash值,根据hash值得到这个元素在数组中的位置(即下标),如果数组该位置上已经存放有其他元素了,那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放,刚刚加入的Entry在链头,最先加入的在链尾(这一点从addEntry(hash, key, value, i)函数可以看出来,把新加入的Entry对象放在数组table[i]位置,此Entry的next值指向以前的Entry)。如果数组该位置上没有元素,就直接将该元素放到此数组中的该位置上。
  简单来说,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而存在的,如果定位到的数组位置不含链表(当前entry的next指向null),那么对于查找,添加等操作很快,仅需一次寻址即可;如果定位到的数组包含链表,对于添加操作,其时间复杂度依然为O(1),因为最新的Entry会插入链表头部,只需要简单改变引用链即可,而对于查找操作来讲,此时就需要遍历链表,然后通过key对象的equals方法逐一比对查找。所以,性能考虑,HashMap中的链表出现越少,性能才会越好。

  addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的hash值,将key-value对放在数组table的i索引处。addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法(就是没有public,protected,private这三个访问权限修饰词修饰,为默认的访问权限,用default表示,但在代码中没有这个default),代码如下:

void addEntry(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  
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
    // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限  
    if (size++ >= threshold)  
    // 把 table 对象的长度扩充到原来的2倍。  
        resize(2 * table.length);  
}  

  当系统决定存储HashMap中的key-value对时,完全没有考虑Entry中的value,仅仅只是根据key来计算并决定每个Entry的存储位置。我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属,当系统决定了 key 的存储位置之后,value 随之保存在那里即可。
  hash(int h)方法根据key的hashCode重新计算一次散列。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。

static int hash(int h) {  
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);  
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  
}  

上面的很不好记,下面给出JDK8中的实现(仅仅是key的hash值高16位和低16位异或操作):

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

  我们可以看到在HashMap中要找到某个元素,需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过HashMap的数据结构是数组和链表的结合,所以我们当然希望这个HashMap里面的元素位置尽量的分布均匀些,尽量使得每个位置上的元素数量只有一个,那么当我们用hash算法求得这个位置的时候,马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的,而不用再去遍历链表,这样就大大优化了查询的效率。
  对于任意给定的对象,只要它的 hashCode() 返回值相同,那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 hash 码值总是相同的。我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算,这样一来,元素的分布相对来说是比较均匀的。但是,“模”运算的消耗还是比较大的,在HashMap中是这样做的:调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下:

static int indexFor(int h, int length) {  
    return h & (length-1);  
}  

  这个方法非常巧妙,它通过 h & (table.length -1) 来得到该对象的保存位,而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。在 HashMap 构造器中有如下代码:

int capacity = 1;  
    while (capacity < initialCapacity)  
        capacity <<= 1;  

  这段代码保证初始化时HashMap的容量总是2的n次方,即底层数组的长度总是为2的n次方。当length总是 2 的n次方时,h& (length-1)运算等价于对length取模,也就是h%length,但是&比%具有更高的效率。
  这看上去很简单,其实比较有玄机的,我们举个例子来说明:

  假设数组长度分别为15和16,优化后的hash码分别为8和9,那么&运算后的结果如下:

   h & (table.length-1)                     hash                             table.length-1

   8 & (15-1):                                 1000                   &              1110                   =                1000

   9 & (15-1):                                 1001                   &              1110                   =                1000
  -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
   8 & (16-1):                                 1000                   &              1111                   =                1000

   9 & (16-1):                                 1001                   &              1111                   =                1001
  -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

  从上面的例子中可以看出:当8、9两个数和\((15-1)_2\)=(1110)进行“与运算&”的时候,产生了相同的结果,都为1000,也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去,这就产生了碰撞,8和9会被放到数组中的同一个位置上形成链表,那么查询的时候就需要遍历这个链表,得到8或者9,这样就降低了查询的效率。同时,我们也可以发现,当数组长度为15的时候,hash值会与\((15-1)_2\)=(1110)进行“与运算&”,那么最后一位永远是0,而0001,0011,0101,1001,1011,0111,1101(注意没有1111,因为数组长度15,最大下标14)这几个位置永远都不能存放元素了,空间浪费相当大。也就是数组可以使用的位置比数组长度小了很多,这意味着进一步增加了碰撞的几率,减慢了查询的效率!
  而当数组长度为16时,即为2的n次方时,\(2^n\)-1得到的二进制数的每个位上的值都为1(比如\((2^4-1)_2\)=1111),这使得在低位上&时,得到的和原hash的低位相同,加之hash(int h)方法对key的hashCode的进一步优化,加入了高位计算,就使得只有相同的hash值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。
  所以说,当数组长度为2的n次幂的时候,不同的key算得的index相同的几率较小,那么数据在数组上分布就比较均匀,也就是说碰撞的几率小,相对的,查询的时候就不用遍历某个位置上的链表,这样查询效率也就较高了。

并且扩容的时候不必全部重新计算hash,只需要判断最高位。

2) 读取:

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;  
}  

  有了上面存储时的hash算法作为基础,理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出:从HashMap中get元素时,首先计算key的hashCode,找到数组中对应位置的某一元素,然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。

  归纳起来简单地说,HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理,这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对,当需要存储一个 Entry 对象时,会根据hash算法来决定其在数组中的存储位置,再根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置;当需要取出一个Entry时,也会根据hash算法找到其在数组中的存储位置,再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。

HashMap的resize

  当HashMap中的元素越来越多的时候,hash冲突的几率也就越来越高,因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率,就要对HashMap的数组进行扩容,数组扩容这个操作也会出现在ArrayList中,这是一个常用的操作,而在HashMap数组扩容之后,最消耗性能的点就出现了:原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去,这就是resize
  那么HashMap什么时候进行扩容呢?当HashMap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时,就会进行数组扩容,loadFactor的默认值为0.75,这是一个折中的取值。也就是说,默认情况下,数组大小为16,那么当HashMap中元素个数超过16*0.75=12(这个值就是代码中的threshold值,也叫做临界值)的时候,就把数组的大小扩展为 2*16=32,即扩大一倍,然后重新计算每个元素在数组中的位置,而这是一个非常消耗性能的操作,所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数,那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。HashMap扩容的代码如下所示:

          //HashMap数组扩容
          void resize(int newCapacity) {
                Entry[] oldTable = table;
                int oldCapacity = oldTable.length;
                //如果当前的数组长度已经达到最大值,则不再进行调整
                if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
                    threshold = Integer.MAX_VALUE;
                    return;
                }
                //根据传入参数的长度定义新的数组
                Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
                //按照新的规则,将旧数组中的元素转移到新数组中
                transfer(newTable);
                table = newTable;
                //更新临界值
                threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
            }

          //旧数组中元素往新数组中迁移
            void transfer(Entry[] newTable) {
                //旧数组
                Entry[] src = table;
                //新数组长度
                int newCapacity = newTable.length;
                //遍历旧数组
                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);
                    }
                }
            }

HashMap的性能参数

  HashMap 包含如下几个构造器:

  • HashMap():构建一个初始容量为 16,负载因子为 0.75 的 HashMap。
  • HashMap(int initialCapacity):构建一个初始容量为 initialCapacity(实际上是大于初始容量的第一个2的整次幂数),负载因子为 0.75 的 HashMap。
  • HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。

  负载因子衡量的是一个散列表空间的使用程度,负载因子越大表示散列表的装填程度越高,反之愈小。对于使用链表法的散列表来说,查找一个元素的平均时间是O(1+a),因此如果负载因子越大,对空间的利用更充分,然而后果是查找效率的降低;如果负载因子太小,那么散列表的数据将过于稀疏,对空间造成严重浪费。
   HashMap的实现中,通过threshold字段来判断HashMap的最大容量:

threshold = (int)(capacity * loadFactor);  

  结合负载因子的定义公式可知,threshold就是在此loadFactor和capacity对应下允许的最大元素数目,超过这个数目就重新resize,以降低实际的负载因子(也就是说虽然数组长度是capacity,但其扩容的临界值却是threshold)。默认的的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择。当容量超出此最大容量时, resize后的HashMap容量是容量的两倍:

if (size++ >= threshold)   
    resize(2 * table.length); 

Fail-Fast机制

  我们知道java.util.HashMap不是线程安全的,因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map,那么将抛出ConcurrentModificationException,这就是所谓fail-fast策略。
  这一策略在源码中的实现是通过modCount域,modCount顾名思义就是修改次数,对HashMap内容的修改都将增加这个值,那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的expectedModCount。在迭代过程中,判断modCount跟expectedModCount是否相等,如果不相等就表示已经有其他线程修改了Map:注意到modCount声明为volatile,保证线程之间修改的可见性。(volatile之所以线程安全是因为被volatile修饰的变量不保存缓存,直接在内存中修改,因此能够保证线程之间修改的可见性)。
  在HashMap的API中指出:
  由所有HashMap类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的:在迭代器创建之后,如果从结构上对映射进行修改,除非通过迭代器本身的 remove 方法,其他任何时间任何方式的修改,迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此,面对并发的修改,迭代器很快就会快速失败,而不冒在将来不确定的时间发生任意不确定行为的风险。
  在迭代器创建之后,其视图中元素已确定,而这个时候,如果外界通过其他任何方式修改此试图,都将导致迭代结果的不一致性,因此这种快速失败行为可以有效的避免面对并发修改时带来的不确定风险。
因此,反过来说,迭代器的这种快速失败行为所抛出的异常,并非是提供给调用者去处理的异常,而是用于检测程序错误。

    // 内部class HashIterator迭代器  
    private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        Entry<K, V> next;    // 下一个桶  
        int expectedModCount;    // 保护HashMap没有变更  
        int index;        // 当前的索引  
        Entry<K, V> current;    // 当前的桶  

        // 构造方法  
        HashIterator() {
            // 保存modCount,因为如果HashMap进行了任何操作modCount都会增加,所以如果发现modCount变化了,就可以抛出失败  
            expectedModCount = modCount;
            // 进入第一个桶  
            if (size > 0) {
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
        }

        // 看看有没有下一个桶  
        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }

        // 获取下一个桶  
        final Entry<K, V> nextEntry() {
            // modCount变化了,抛出失败  
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            // 得到next  
            Entry<K, V> e = next;
            // 如果next为空,抛出失败  
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();

            // 如果next.next为空,将next定义为下一个格子中的桶,否则为该格子的下一个桶  
            if ((next = e.next) == null) {
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            // 给current赋值  
            current = e;
            // 返回e  
            return e;
        }

        // 删除  
        public void remove() {
            // 如果当前为空,抛出  
            if (current == null)
                throw new IllegalStateException();
            // modCount变化了,抛出失败  
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            // 获得当前的key  
            Object k = current.key;
            // 设置current为null  
            current = null;
            // 删除掉对应key的元素  
            HashMap.this.removeEntryForKey(k);
            // 重置expectedModCount  
            expectedModCount = modCount;
        }

    }

    // 内部class ValueIterator迭代器,我们可以看到修改了next方法  
    private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
        public V next() {
            return nextEntry().value;
        }
    }

    // 内部class KeyIterator迭代器,我们可以看到修改了next方法  
    private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
        public K next() {
            return nextEntry().getKey();
        }
    }

    // 内部class EntryIterator迭代器,我们可以看到修改了next方法  
    private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K, V>> {
        public Map.Entry<K, V> next() {
            return nextEntry();
        }
    }

JDK8中的HashMap

  一直到JDK7为止,HashMap的结构都是这么简单,基于一个数组以及多个链表的实现,hash值冲突的时候,就将对应节点以链表的形式存储。
  如果成百上千个节点在hash时发生碰撞,存储在一个链表中,那么如果要查找其中一个节点,那就不可避免的花费O(N)的查找时间,这将是多么大的性能损失。这个问题终于在JDK8中得到了解决。红黑树查找复杂度O(logn),这样会提高HashMap的效率。当链表中元素个数超过默认设定(8个)时,就会采用下面的结构:

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posted @ 2017-08-05 13:45  何必等明天  阅读(451)  评论(0编辑  收藏  举报