HashMap源码解析JDK8

一、HashMap基础

1.1 HashMap的定义

我们先看一下HashMap的定义：

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

1.2 HashMap的属性

//默认容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//链表转成红黑树的阈值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//红黑树转为链表的阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//存储方式由链表转成红黑树的容量的最小阈值
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//HashMap中存储的键值对的数量
transient int size;
//扩容阈值，当size>=threshold时，就会扩容
int threshold;
//HashMap的加载因子
final float loadFactor;

　　

二、初始化

首先我们看无参构造函数

HashMap<String, String> hashMap = new HashMap<>();

　　

  public HashMap() {//这里只是赋值了一个默认的加载因子，并没有做初始化操作
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

我们看一下其他两个构造函数

 public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

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);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

　　这两个同样也只是赋值了加载因子和扩容阀值
注意：tableSizeFor是的到一个二次幂的数值，其计算过程是这样的

  /**
     * Returns a power of two size for the given target capacity.
     */
    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;
    }

　　假设初始容量为19

cap=19
int n = cap-1;//得到n=18，换算为二进制为0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0010
n |= n>>>1;//表示n无符号右移一位后，与n按位或计算，其中n>>>1= 1001，按位或结果为11011
n|=n>>>2;//其中n>>>2=00110,按位或的结果为11111，下面几步类似，最终得到的结果是n=11111(二进制，也就是2^5-1，31)
这个计算方式是想法把二进制中低位的补1，最后的值一定是2的n次幂减1
最终计算得到的结果是32

　　

因为cap最大为2^31，我们可以知道，这个方法的最终目的就是返回比cap大的最小的2的幂次方。

真正的初始化其实是在第一次put的时候,调用的是resize()方法，哪里调用resize()方法将在下面说明

三、put()

  public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

这个hash(key)是一个比较经典的方法，这里我们看一下

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        /**
         * 这里是hash值一个巧妙的打乱方式，目的是将hash值进一步打乱，将对象在数组中的位置划分的更为均匀
         * int 类型是32为的数值类型，并且可以区分为高16位和低16位
         * 这里的算法就是： 高16为不变，将低16位与高16为进行 异或(^/xor) 运算 两个值不相同则为1，反之则为0
         *
         */
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

put方法调用putVal方法，这里我们看一下putVal的源码

    /**
     * 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,这个参数很少用，但如果为true，则不替换已经存在的value值。默认是替换
     * @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)//如果table为null则进行第一次扩容->既为第一次真正的初始化
            /**
             * 如果table为null则进行第一次扩容->既为第一次真正的初始化
             */
            n = (tab = resize()).length;

        /**
         * i = (n - 1) & hash
         * 这里是又一个巧妙的运算，通过hash值，计算该节点在数组中的下标
         * n 为当前数组的长度
         * i 为计算出的下标
         * 假如当前的长度为16(默认为HashMap的初始数组长度)
         * n 的二进制为:                   0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000
         * 则 (n-1) 为15， 在二进制看来则是 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111
         * 此时将hash值与15进行 与(&) 运算，   &：同为1 ，则为1，否则为0
         * 无论hash值如何变化则运算之后的值一定在 【0-15】之间，则为当前节点所处的数组的下标,
         * 这里其实与 hash % 16 的概念差不多，但是这种方法更将精妙，更加高效
         */
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            /** p 为当前数组下标下的第一个节点，如果p为null，则表示当前数组下标下还没有值，这时直接新建一个node节点放入数组下标中 **/
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {/** 如果当前数组下标下有值，则进行下面代码 **/
            Node<K,V> e; K k;
            /**
             * 1. p.hash == hash
             *  首先判断当前节点的hash值是否与将要放入节点的hash值是否一致，如果一致则继续进行判断
             * 2. (k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))
             *  这个咱们拆开看， 首先看 || 符号左边
             *      (k = p.key) == key ：这句代码首先将p.key赋值给k， 并且比较两个key值是否在同一快内存中，如果是则返回true，如果为false则继续进行判断
             *  接下载咱们在看 || 符号右边
             *      (key != null && key.equals(k)) : 如果key不等于null的话，调用key的equels方法判断是否一致
             */
            if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p; /** 如果进入这个if里面则将p赋给临时变量e **/
            else if (p instanceof TreeNode) /** 如果p是一个红黑树，则将put对象放入红黑树中 **/
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {/** 如果进入最后的else表示key不一致，并且该数组下标下的节点也不是一个红黑树 **/
                /**
                 * 这里将遍历该链表
                 */
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {/** 这里判断是否走到链表的最后 **/
                        /** 将新节点放入该链表的最后 **/
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        /**
                         * 这里判断是否满足将链表变成红黑树的 条件
                         *  TREEIFY_THRESHOLD 的值为8,
                         *  binCount是链表的下标，如果binCount的值为7，则代表该链表的长度为8
                         */
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);/** 满足条件，进行红黑树的转换 **/
                        break;
                    }
                    /**
                     * 如果没有进入链表末尾
                     * 判断当前节点的key是否与新节点的key一致，与上面if的逻辑一样，这里不在赘述。
                     */
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;/** 如果都不满足条件，继续向下寻找 **/
                }
            }
            /**
             * 经过上面代码分析过后，上面情况下e不为null呢？
             * 只要新节点的key与老节点的key相同，则e不为null， e则代表，与新节点key一直的老节点
             */
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                /** onlyIfAbsent,putVal方法的一个参数，通过这里可以看出，该参数控制是否覆盖老值,不过前提是老节点的value不为null **/
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);/** 这里在HashMap中是一个空实现，其在LinkedHashMap中有作用，这里不讨论 **/
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount; /** modCount:表示结构被修改的次数 **/
        if (++size > threshold) /** 这里我以前一直有一个误区，size表示的是map中所有节点的个数，而不是map中数组被占用的个数，这里很明确的表示出来了,如果size+1 大于阀值，则进行扩容 **/
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        System.out.println(table);
        return null;
    }

　　这里我们在看看一下resize()方法

   final Node<K,V>[] resize() {
        /** 将表格赋给临时变量 **/
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        /**
         * oldCap: 扩容前数组大小
         * oldThr：扩容前的扩容阀值
         * 顾名思义
         * newCap：新的数组大小
         * newThr：新的扩容阀值
         */
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            /**
             * 如果数组大小大于等于最大数组限制，则将扩容阀值设为最大，即：不在进行扩容,并返回老数组
             */
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            /**
             *  1. (newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY
             *      新的数组大小为老数组大小右移以为，即：老数组大小乘以2
             *  2. oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY
             *      老数组大小要大于等于，默认的初始化大小即为16
             */
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                    oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                /** 新的扩容阀值也扩大一杯 **/
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;/**  老的扩容阀值大于0,并将其赋值为新的数组容量，只有通过有参构造函数猜可以走到这一步 **/
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            /** 当HashMap，第一次默认初始化的时候，就会走到这里 **/
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//12
        }
        if (newThr == 0) {/** 新的扩容阀值为0，只有通过有参构造函数猜可以走到这一步 **/
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            /** 判断新的大小是否小于最大数组限制，并且扩容阀值是否小于最大数组限制，否则将扩容阀值设为最大 **/
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                    (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;/** 设置扩容阀值 **/
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];/** 根据扩容后的容量，创建一个新的hashMap **/
        table = newTab;/** 将新的数组赋值给table属性，这里不是线程安全的 **/
        if (oldTab != null) {
            /** 循环老数组 **/
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                /**
                 * 如果老数组该下标下为null，则不管
                 * 如果不为null，则放入新数组中,并将老数组释放,交给gc去回收
                 */
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)/** 如果该链表只有一个值，则直接将其放入新数组 **/
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)/** 如果该节点是一个红黑树，则将其拆开放入新数组,和下面将链表拆成两个链表类似 **/
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { /** 如果不是红黑树，并且链表不止一个值，则进入该步骤 **/
                        /**
                         * 首先有一个基础概念，HashMap扩容都是2倍扩容，即16->32>64
                         * 那么同一个链表下的节点，在新的数组中的位置只会在两个可能的位置，
                         * 一个是原下边，一个是原下标+原来数组的长度，
                         * 至于为什么会这样？
                         * 可以类比一组数除以16和同一组数除以32.
                         *
                         * 所以：loHead，记录原下标下的接线                  loTail:记录链表末尾节点
                         *      hiHead，记录原下标+原数组长度的，下标下的节点  hiTail：记录链表末尾节点
                         */
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;/** 记录链表的下一个节点 **/
                        do {
                            next = e.next;/** 遍历下一个节点 **/
                            /**
                             * e.hash & oldCao
                             * 假设oldCap为16，那么二进制则是 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000
                             * 随便一个hash值               0000 1010 1010 1111 0100 0101 0101 1111
                             * 如果第5位上不为1，则全部为0，表明，当前节点一定在数组的低位。如果第五位有值则表示一定 （% 32） 的余数一定比16大
                             */
                            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;/** 将新的链表赋给低位的数组下标 **/
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;/** 将新的链表赋给高位的数组下标 **/
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

　　这里我们在看一下treeifyBin()方法

    /**
     * 替换给定散列的索引处的bin中的所有链接节点，除非表太小，在这种情况下调整大小。
     */
    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        /**
         * 这里判断是否满足转换为红黑树的最小数组大小，如果不满足，直接进行扩容操作
         */
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        /** 去需要扩容的数组下标下的链表首个节点 **/
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {/** 将链表节点变为TreeNode对象，并保持链表结构 **/
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);/** 改变为红黑树结构 **/
        }
    }

　　

四、 多线程不安全问题

我们都知道，HashMap不是线程安全的。这块主要体现在两块：

3.1 get和put

这两块都没有加锁，所以可能会导致多线程执行时，出现数据被覆盖的问题。

3.2 死循环的问题

这个问题主要出现在resize的过程中，多线程都探测到需要resize时，将链表元素rehash过程中，可能会导致死循环。这个问题参考JAVA HASHMAP的死循环。

至此，源码分析基本结束。

参考链接：https://www.jianshu.com/p/a66320235c43