Java 8系列之重新认识HashMap

摘要

HashMap是Java程序员使用频率最高的用于映射(键值对)处理的数据类型。随着JDK（Java Developmet Kit）版本的更新，JDK1.8对HashMap底层的实现进行了优化，例如引入红黑树的数据结构和扩容的优化等。本文结合JDK1.7和JDK1.8的区别，深入探讨

HashMap的结构实现和功能原理。

 简介

Java为数据结构中的映射定义了一个接口java.util.Map，此接口主要有四个常用的实现类，分别是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap，类继承关系如下图所示：

java.util.map类图

下面针对各个实现类的特点做一些说明：

(1) HashMap：它根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。HashMap非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。

(2) Hashtable：Hashtable是遗留类，很多映射的常用功能与HashMap类似，不同的是它承自Dictionary类，并且是线程安全的，任一时间只有一个线程能写Hashtable，并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。Hashtable不建议在新代码中使用，不需要线程安全的场合可以用HashMap替换，需要线程安全的场合可以用ConcurrentHashMap替换。

(3) LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。

(4) TreeMap：TreeMap实现SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。如果使用排序的映射，建议使用TreeMap。在使用TreeMap时，key必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出java.lang.ClassCastException类型的异常。

对于上述四种Map类型的类，要求映射中的key是不可变对象。不可变对象是该对象在创建后它的哈希值不会被改变。如果对象的哈希值发生变化，Map对象很可能就定位不到映射的位置了。

通过上面的比较，我们知道了HashMap是Java的Map家族中一个普通成员，鉴于它可以满足大多数场景的使用条件，所以是使用频度最高的一个。下文我们主要结合源码，从存储结构、常用方法分析、扩容以及安全性等方面深入讲解HashMap的工作原理。

内部实现

搞清楚HashMap，首先需要知道HashMap是什么，即它的存储结构-字段；其次弄明白它能干什么，即它的功能实现-方法。下面我们针对这两个方面详细展开讲解。

存储结构-字段

从结构实现来讲，HashMap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下如所示。

hashMap内存结构图

这里需要讲明白两个问题：数据底层具体存储的是什么？这样的存储方式有什么优点呢？

(1) 从源码可知，HashMap类中有一个非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶数组，明显它是一个Node的数组。我们来看Node[JDK1.8]是何物。 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

final int hash; //用来定位数组索引位置 final K key;

V value;

Node<K,V> next; //链表的下一个node

Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... }

public final K getKey(){ ... }

public final V getValue() { ... }

public final String toString() { ... }

public final int hashCode() { ... }

public final V setValue(V newValue) { ... }

public final boolean equals(Object o) { ... }

}

Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。

(2) HashMap就是使用哈希表来存储的。哈希表为解决冲突，可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题，Java中HashMap采用了链地址法。链地址法，简单来说，就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。例如程序执行下面代码：

map.put("美团","小美");

系统将调用"美团"这个key的hashCode()方法得到其hashCode 值（该方法适用于每个Java对象），然后再通过Hash算法的后两步运算（高位运算和取模运算，下文有介绍）来定位该键值对的存储位置，有时两个key会定位到相同的位置，表示发生了Hash碰撞。当然Hash算法计算结果越分散均匀，Hash碰撞的概率就越小，map的存取效率就会越高。如果哈希桶数组很大，即使较差的Hash算法也会比较分散，如果哈希桶数组数组很小，即使好的Hash算法也会出现较多碰撞，所以就需要在空间成本和时间成本之间权衡，其实就是在根据实际情况确定哈希桶数组的大小，并在此基础上设计好的hash算法减少Hash碰撞。那么通过什么方式来控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶数组（Node[] table）占用空间又少呢？答案就是好的Hash算法和扩容机制。

在理解Hash和扩容流程之前，我们得先了解下HashMap的几个字段。从HashMap的默认构造函数源码可知，构造函数就是对下面几个字段进行初始化，源码如下：

int threshold; // 所能容纳的key-value对极限

final float loadFactor;// 负载因子

int modCount;

int size;

首先，Node[] table的初始化长度length(默认值是16)，Load factor为负载因子(默认值是0.75)，threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数。threshold = length * Load factor。也就是说，在数组定义好长度之后，负载因子越大，所能容纳的键值对个数越多。

结合负载因子的定义公式可知，threshold就是在此Load factor和length(数组长度)对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍。默认的负载因子0.75是对空间和时间效率的一个平衡选择，建议大家不要修改，除非在时间和空间比较特殊的情况下，如果内存空间很多而又对时间效率要求很高，可以降低负载因子Load factor的值；相反，如果内存空间紧张而对时间效率要求不高，可以增加负载因子loadFactor的值，这个值可以大于1。size这个字段其实很好理解，就是HashMap中实际存在的键值对数量。注意和table的长度length、容纳最大键值对数量threshold的区别。而modCount字段主要用来记录HashMap内部结构发生变化的次数，主要用于迭代的快速失败。强调一点，内部结构发生变化指的是结构发生变化，例如put新键值对，但是某个key对应的value值被覆盖不属于结构变化。

在HashMap中，哈希桶数组table的长度length大小必须为2的n次方(一定是合数)，这是一种非常规的设计，常规的设计是把桶的大小设计为素数。相对来说素数导致冲突的概率要小于合数，具体证明可以参考http://blog.csdn.net/liuqiyao_01/article/details/14475159，Hashtable初始化桶大小为11，就是桶大小设计为素数的应用（Hashtable扩容后不能保证还是素数）。HashMap采用这种非常规设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。

这里存在一个问题，即使负载因子和Hash算法设计的再合理，也免不了会出现拉链过长的情况，一旦出现拉链过长，则会严重影响HashMap的性能。于是，在JDK1.8版本中，对数据结构做了进一步的优化，引入了红黑树。而当链表长度太长（默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能，其中会用到红黑树的 插入、删除、查找等算法。本文不再对红黑树展开讨论，想了解更多红黑树数据结构的工作原理可以参考http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/6105630。

功能实现-方法

HashMap的内部功能实现很多，本文主要从根据key获取哈希桶数组索引位置、put方法的详细执行、扩容过程三个具有代表性的点深入展开讲解。

  1. 确定哈希桶数组索引位置

不管增加、删除、查找键值对，定位到哈希桶数组的位置都是很关键的第一步。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，不用遍历链表，大大优化了查询的效率。HashMap定位数组索引位置，直接决定了hash方法的离散性能。先看看源码的实现(方法一+方法二):

 方法一：

static final int hash(Object key) { //jdk1.8 & jdk1.7

int h;

// h = key.hashCode() 为第一步取hashCode值

// h ^ (h >>> 16) 为第二步高位参与运算

return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

}

方法二：

static int indexFor(int h, int length) { //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的

return h & (length-1); //第三步取模运算

}

这里的Hash算法本质上就是三步：取key的hashCode值、高位运算、取模运算。对于任意给定的对象，只要它的hashCode()返回值相同，那么程序调用方法一所计算得到的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：调用方法二来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处。

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。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。在JDK1.8的实现中，优化了高位运算的算法，通过hashCode()的高16位异或低16位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是从速度、功效、质量来考虑的，这么做可以在数组table的length比较小的时候，也能保证考虑到高低Bit都参与到Hash的计算中，同时不会有太大的开销。

下面举例说明下，n为table的长度。

hashMap哈希算法例图

2. 分析HashMap的put方法

HashMap的put方法执行过程可以通过下图来理解，自己有兴趣可以去对比源码更清楚地研究学习。

hashMap put方法执行流程图

①. 判断键值对数组table[i]是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容；

②. .根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table[i]不为空，转向③；

③. .判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value，否则转向④，这里的相同指的是hashCode以及equals；

④.判断table[j]是否为treeNode ,即table[门是否是红黑树,如果是红黑树,则直接在树中插入键值对，否则转向⑤;
⑤.遍历table[j] ,判断链表长度是否大于8 ,大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作,否则进行链表的插入操作;遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可;
⑥插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold ,如果超过，进行扩容。
  JDK1.8HashMap的put方法源码如下:

 

  3.扩容机制
  扩容(resize)就是重新计算容量,向HashMap对象里不停的添加元素,而HashMap对象内部的数组无法装载更多的元素时,对象就需要扩大数组的长度,以便能装入更多的元素。当然Java里的数组是无法自动扩容的,方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组，就像我们用一个小桶装水,如果想装更多的水,就得换大水桶。
  我们分析下resize的源码，鉴于JDK1 8融入了红黑树，较复杂，为了便于理解我们仍然使用JDK1.7的代码，好理解一一些，本质上区别不大,具体区别后文再说。

 

   这里就是使用一个容量更大的数组来代替已有的容量小的数组, transfer(方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。

 

newTable们j]的引用赋给了e.next ,也就是使用了单链表的头插入方式，同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置;这样先放在-一个索引上的元素终会被放到Entry链的尾部(如果发生了hash冲突的话) , 这一点和dk1.8有区别，下文详解。在旧数组中同一条Entry链上的元素,通过重新计算索引位置后,有可能被放到了新数组的不同位置上。
下面举个例子说明下扩容过程。假设了我们的hash算法就是简单的用key mod -下表的大小(也就是数组的长度)。其中的哈希桶数组table的size=2,所以key=3、7、5, put顺序依次为5、7、3。在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。这里假设负载因子loadFactor=1 ,即当键值对的实际大小size大于table的实际大小时进行扩容。接下来的三个步骤是哈希桶数组resize成4 ,然后所有的Node重新rehash的过程。

下面我们讲解下JDK1.8做了哪些优化。经过观测可以发现，我们使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍) ,所以，元素的位置要么是在原位置,要么是在原位置再移动2次幂的位置。看下图可以明白这句话的意思, n为table的长度,图(a )表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例，图(b)表示扩容后key1和key2两种key确定索引|位置的示例,其中hash1是key1对应的哈希与高位运算结果。

  元素在重新计算hash之后,因为n变为2倍,那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色)，因此新的index就会发生这样的变化: 

 因此，我们在扩充HashMap的时候,不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash ,只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了,是0的话索引没变,是1的话索引变成“原索引+oldCap”,可以看看下图为16扩充为32的resize示意图:

 

 这个设计确实非常的巧妙，既省去了重新计算hash值的时间,而且同时,由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的,因此resize的过程,均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了。这一块就是JDK1 8新增的优化点。有一点注意区别, JDK1.7中rehash的时候，旧链表迁移新链表的时候,如果在新表的数组索引|位置相同,则链表元素会倒置,但是从上图可以看出，JDK1.8不会倒置。有兴趣的可以研究下JDK1 8的resize源码,写的很赞,如下:

 

   线程安全性
  在多线程使用场景中,应该尽量避免使用线程不安全的HashMap ,而使用线程安全的
  ConcurrentHashMap。那么为什么说HashMap是线程不安全的,下面举例子说明在并发的多线程使用场景中使用HashMap可能造成死循环。代码例子如下(便于理解,仍然使用JDK1.7的环境) :

 其中, map初始化为一个长度为2的数组, loadFactor=0.75 , threshold=2*0.75=1,也就是说当put第二个key的时候 , map就需要进行resize.
通过设置断点让线程1和线程2同时debug到transfer方法(3.3小节代码块)的首行。注意此时两个线程已经成功添加数据。放开thread1的断点至transfer方法的 "Entry next=e.next;,"这一行;然后放开线程2的的断点,让线程2进行resize。结果如下图。

   注意, Thread1的e指向了key(3),而next指向了key(7),其在线程二.rehash后, 指向了线程二重组后的链表。
  线程一被调度回来执行,先是执行newTalbe[j] = e,然后是e = next,导致了e指向了key(7) ,而下一-次循环的next = e.next导致了next指向了key(3)。 

 于是，当我们用线程一调用map.get(11)时 ,悲剧就出现了一Infinite Loop。

JDK1.8与JDK1.7的性能对比
HashMap中,如果key经过hash算法得出的数组索引|位置全部不相同,即Hash算法非常好，那样的话, getKey方法的时间复杂度就是O(1)，如果Hash算法技术的结果碰撞非常多，假如Hash算极其差，所有的Hash算法结果得出的索引位置-样,那样所有的键值对都集中到一个桶中,或者在一个链表中,或者在一一个红黑树中,时间复杂度分别为O(n)和O(lgn)。鉴于JDK1.8做 了多方面的优化,总体性能优于JDK1.7 ,下面我们从两个方面用例子证明这一点。

Hash较均匀的情况
为了便于测试，我们先写一个类Key,如下:

  这个类复写了equals方法，并且提供了相当好的hashCode函数,任何一个值的hashCode都不会相同,因为直接使用value当做hashcode。为了避免频繁的GC ,我将不变的Key实例缓存了起来，而不是一遍-遍的创建它们。代码如下: 

  现在开始我们的试验,测试需要做的仅仅是,创建不同size的HashMap(1、10、100、...10000000屏蔽了扩容的情况，代码如下:

 在测试中会查找不同的值,然后度量花费的时间，为了计算getKey的平均时间，我们遍历所有的get方法，计算总的时间,除以key的数量,计算一个平均值,主要用来比较,绝对值可能会受很多环境因素的影响。结果如下:

 通过观测测试结果可知, JDK1.8的性能要高于JDK1.715%以上,在某些size的区域上，甚至高于100%。由于Hash算法较均匀, JDK1.8引入的红黑树效果不明显，下面我们看看Hash不均匀的的情况。

Hash极不均匀的情况
假设我们又一一个非常差的Key,它们所有的实例都返回相同的hashCode值。这是使用HashMap最坏的情况。代码修改如下:

 仍然执行main方法,得出的结果如下表所示: 

 从表中结果中可知，随者isize的变大，JDK1.7的花费时间是增长的趋势,而JDK1.8是明显的降低趋势,并且呈现对数增长稳定。当一个链表太长的时候, HashMap会动态的将它替换成一个红黑树，这话的话会将时间复杂度从O(n)降为O(logn)。hash算法均匀和不均匀所花费的时间明显也不相同,这两种情况的相对比较,可以说明一一个好的hash算法的重要性。

小结
(1)扩容是一个特别耗性能的操作,所以当程序员在使用HashMap的时候，估算map的大小,初始化的时候给一个大致的数值,避免map进行频繁的扩容。
(2)负载因子是可以修改的,也可以大于1，但是建议不要轻易修改,除非情况非常特殊。

(3) HashMap是线程不安全的，不要在并发的环境中同时操作HashMap ,建议使用ConcurrentHashMap.

(4)JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能。