OpenJDK1.8.0 源码解析————HashMap的实现(一)

　　　　HashMap是Java Collection Framework 的重要成员之一。HashMap是基于哈希表的 Map 接口的实现，此实现提供所有可选的映射操作，映射是以键值对的形式映射：key-value。key——此映射所维护的键的类型,value——映射值的类型，并且允许使用 null 键和 null 值。而且HashMap不保证映射的顺序。

　　　　简单的介绍一下HashMap，就开始HashMap的源码分析。

　　　　首先简单的介绍一下HashMap里都包含的数据结构。觉得还是先贴一张图比较好，结合图文会比较好理解一些。

　　

　　　　现在就可以开说一下这三种数据结构。

　　　　第一个就是Node<K,V>类型的节点。

　　　　　　备注：static class HashMap.Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>

　　　　第二个就是由Node<K,V>类型组成的一个Node<K,V>[] table数组。

　　　　第三个就是一个TreeNode<K,V>类型的红黑树。

　　　　　　备注：static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V>
　　　　　　　　　static class LinkedHashMap.Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V>
　　　　　　　　　static class HashMap.Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>

　　　　现在结合代码看一看这三种数据结构(其实Node和Node[] 是同一类，所以就是两种)。
　　　　

　　　　第一种：Node<K,V>

　　　　看这个之前先看看它实现的父类接口Map.Entry<K,V>的源码(Entry是Map接口里的一个内部接口)
　　　　　　

　　　　　　interface Entry<K,V> {
　　　　　　　　　　K getKey();
　　　　　　　　　　V getValue();
　　　　　　　　　　V setValue(V value);
　　　　　　　　　　boolean equals(Object o);
　　　　　　　　　　int hashCode();
　　　　　　}

　　　　再看Node的源码(Node是HashMap类的一个静态内部类，实现了Map接口里的内部接口Entry)
　　　　　

　static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
　　　　　　　　//这四个成员变量就是一个Node节点所包含的四个变量域
　　　　　　　　//其中hash的计算方法是由一个hash方法得到的，该方法的是实现就是HashMap里，这里为了看的清楚一些，就写到下面：
　　　　　　　　// hash = (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
　　　　　　　　　　final int hash;
　　　　　　　　　　final K key;
　　　　　　　　　　V value;
　　　　　　　　　　Node<K,V> next;
　　　　　　　　
　　　　
　　　　　　　　//构造方法
　　　　　　　　Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
　　　　　　　　　　this.hash = hash;
　　　　　　　　　　this.key = key;
　　　　　　　　　　this.value = value;
　　　　　　　　　　this.next = next;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　//拿到该Node 的key
　　　　　　　　public final K getKey() { return key; }
　　　　　　　　//拿到该Node 的value
　　　　　　　　public final V getValue() { return value; }
　　　　　　　　//重写toString方法
　　　　　　　　public final String toString() { return key + "=" + value; }

　　　　　　　　//修改当前Entry对象的value为传进入newvalue,返回值为之前的oldvalue值 　　　　　

　　　　　　　　　public final V setValue(V newValue) { 　　　　　

　　　　　　　　　　　　　V oldValue = value; 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　value = newValue; 　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　return oldValue; 　　

　　　　　　　　　} 　　　　　　

　　　　　　　　　　　 /* 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　判断两个Entry是否相等 　　　　

　　　　　　　　　　　　若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true;否则返回false 　　　　

　　　　　　　　　　　　*/ 　　　　　

　　　　　　　　　　　public final boolean equals(Object o) { 　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　if (o == this) 　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　return true; 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　if (o instanceof Map.Entry) { 　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　if (Objects.equals(key, e.getKey()) && Objects.equals(value, e.getValue())) 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　return true; 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　} 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　return false;

　　　　　　　　　　} 　　　　　

　　　　　　　　　　　//重写了equals,因此重新实现hashCode() 　　　　　　

　　　　　　　　　　　　public final int hashCode() { 　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); 　

　　　　　　　　　　　　} 　　

　　　　　　　　}

　　

　　　　第二种：TreeNode(这里只附上TreeNode类的成员变量和一个获取树根的方法，其他的省略。因为TreeNode里实现了很多关于红黑树的操作方法，如果全部放到这里不仅看不懂而且显得特别乱)

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
     TreeNode<K,V> parent;
     TreeNode<K,V> left;
     TreeNode<K,V> right;
     TreeNode<K,V> prev;
     //构造函数
     TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next){                    
　　　　  super(hash, key, val, next);
     } 

    //返回该树的树根
     final TreeNode<K,V> root() {
     　　for (TreeNode<K,V> r = this, p;;){
         　　if ((p = r.parent) == null) return r; r = p;
　　　　　}
　　　}
     //其余部分省略，有兴趣的可以自行查看源代码。

 }     

　　　　然后在说一下TreeNode构造函数所做的事情。

　　　　先了解一下TreeNode的继承体系：TreeNode继承了LinkedHashMap.Entry
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　LinkedHashMap.Entry继承了HashMap.Node
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　HashMap.Node实现了Map.Entry

　　　　了解这个就能清楚的知道TreeNode的构造函数到底做了什么事情。底下的图显示了TreeNode利用构造初始化的流程。
　　　　　　

　　　　其实最终还是调到了Node的构造，初始化TreeNode了从Node继承而来的四个数据域(int hash,K key,V value,Node<K,V> next)。
　　

　　　　接着我们说一下HashMap里几个重要的成员变量和常量(省略了一部分)。
　　　　　

　　　　　//通过HahMap实现的接口可知，其支持所有映射操作，能被克隆，支持序列化
　　　　　　public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
　　　　　　　　　　　　implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

　　　　　　private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

　　　　　　//默认Node<K,V> table的初始容量16，2的4次方。
　　　　　　static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 

　　　　　　//table数组的最大容量为1073 741 824，2的30次方。
　　　　　　static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

　　　　　　/*
　　　　　　　　默认加载因子
　　　　　　　　该值和table的长度的乘积为是否对table进行扩容的标志。
　　　　　　　　例如当该值默认为0.75，table的长度为16时，就是说当table填充至 12*0.75 =12 之后，这个table就要进行扩容
　　　　　　*/
　　　　　　static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

　　　　　　//哈希表的定义，这个数据结构在前面已经介绍过
　　　　　　transient Node<K,V>[] table;

　　　　　　/*
　　　　　　　　HashMap的大小,即保存的键值对的数量
　　　　　　　　当该值大于等于HashMap的阈值时，数组就会扩充
　　　　　　*/
　　　　　　transient int size;

　　　　　　/*
　　　　　　　　HashMap的阈值.
　　　　　　　　用于判断是否需要调整HashMap的容量
　　　　　　　　该值的计算方法为: 加载因子 * (table.length)
　　　　　　　　当table.size>=threshold就会扩容，就是如果hashMap中存放的键值对大于这个阈值，就进行扩容
　　　　　　　　如果加载因子没有被分配，默认为0.75
　　　　　　　　如果table数组没有被分配，默认为初始容量值(16)；
　　　　　　　　或若threshold值为0，也表明该值为初始容量值。
　　　　　　*/
　　　　　　int threshold;

　　　　　　/*
　　　　　　　　加载因子
　　　　　　　　如果加载因子没有被分配，默认为0.75
　　　　　　*/
　　　　　　final float loadFactor;

　　　　　　//当添加到tab[i]位置下的链表长度达到8时将链表转换为红黑树
   　　　　　static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

　　　　　　　　......
　　　　}

　　　　介绍完数据结构再来说一下我们平时经常写的代码:Map<String,Object> map = new HashMap<String,Object>()

　　　　(这样的方式获得的map对象,调用的是默认无参的构造，实际上还有其他三个有参的构造函数)

　　　　要知道写完这句代码之后到底发生了什么。我们首先就得看一下HashMap构造器(共4个构造器),源码如下

    /*  
　　      默认无参构   　　
　　　　　 构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
　　*/
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    }

    //构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
   　　 //初始容量为负数，抛出异常。
    　　　if (initialCapacity < 0)
   　　　　 throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +  initialCapacity);
    　　//初始容量大于最大容量，把初始容量定为最大容量。
  　　  if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
   　　　　 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
   
　　　　 //如果加载因子不符合规范，抛出异常
   　　　if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
　　　　　　throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +loadFactor);
　　　　//经过一些过滤和处理，现在的loadFactor和initialCapacity都为合法的值
　　　　//初始化加载因子
　　　　this.loadFactor = loadFactor;
　　　　/*
　　　　　　初始化HashMap的阈值
　　　　　　调用tableSizeFor(initialCapacity)方法
　　　　　　该方法根据数组的初始容量的大小求出HashMapde的阈值threshold　
　　　　*/
　　　　this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
　　}

　　/*
　　　　第三个构造方法
　　　　构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
　　*/
　　public HashMap(int initialCapacity) {
　　　　this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
　　}

　　// 构造一个映射关系与指定 Map 相同的新 HashMap。
　　public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
　　　　　　this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
　　　　　　putMapEntries(m, false);
　　}
     

　　　　上面提到了根据数组初始容量得出HashMap阈值的一个方法：tableSizeFor(int cap)。该方法的源码如下：

　　　　　　

　　　　　　static final int tableSizeFor(int cap) {
　　　　　　　　　　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;
　　　　　　}

　　
　　　　　　简单的测试了一下这个方法

　　　　　　

　　　　public class TestHashMap{
　　　　　　　　
　　　　　　　　static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
　　　　　　　　public static void main(String[] args){    

　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");
　　　　　　　　　　System.out.println(" 第一次测试，cap = 0,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(0));
　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");
　　　　　　　　　　System.out.println(" 第二次测试，cap = 3,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(3));
　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");
　　　　　　　　　　System.out.println(" 第三次测试，cap = 16,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(16));
　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");
　　　　　　　　　　System.out.println(" 第四次测试，cap = 100,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(100));
　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");
　　　　　　　　　　System.out.println(" 第五次测试，cap = 1000,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(1000));
　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");
　　　　　　　　　　System.out.println(" 第六次测试，cap = 10000,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(10000));
　　　　　　　　　　System.out.println("---------------------");

　　　　　　　　}

　　　　　　　　static final int tableSizeFor(int cap) {
　　　　　　　　　　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;
　　　　　　　　}
　　　　　　}

　　　　输出结果:
　　　　---------------------

　　　　第一次测试，cap = 0,返回的阈值threshold = 1
　　　　--------------------
　　　　第二次测试，cap = 3,返回的阈值threshold = 4
　　　　---------------------
　　　　第三次测试，cap = 16,返回的阈值threshold = 16
　　　　---------------------
　　　　第四次测试，cap = 100,返回的阈值threshold = 128
　　　　---------------------
　　　　第五次测试，cap = 1000,返回的阈值threshold = 1024
　　　　---------------------
　　　　第六次测试，cap = 10000,返回的阈值threshold = 16384
　　　　---------------------

　　　　总之，tableSizeFor方法是根据table数组的容量计算出hashMap可以维护出的键值对。从结果可以看到阈值至少是1，而且是刚好比cap大一点的2的幂。

　　　　至于为什么阈值要做成这样，看了很多文章，都是说为了使hashMap散列均匀。但是实际上tab[i]中i的选择是 hash & lenth-1 是和容量在做按位或。

　　　　因此对这里有一些疑惑。

　　　　到此对HashMap一部分介绍完了。哪里有不对的地方，还望指出。还有就是如果能解答我的疑惑，还请指导，十分感谢 ^_^。