java容器三：HashMap源码解析

前言：Map接口

map是一个存储键值对的集合，实现了Map接口的主要类有以下几种

TreeMap：用红黑树实现

HashMap:数组和链表实现

HashTable:与HashMap类似，但是线程安全

LinkedHashMap:与HashMap类似，但是内部有一个双向链表来维持插入顺序或其他某种要求的顺序

下面来介绍HashMap的具体信息

存储结构

链表

 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>{
  final int hash;
  final K key;
  V value;
  Node<K,V>next;
 }

Node<K,V>是用来存储一个键值对的，从next上我们可以看出这是一个链表结构，每一条链表上存储的是hash值相同的结点也就是键值对

哈希桶

transient Node<K,V>[] table;

哈希桶是一个数组结构，数组的每一个元素保存一条链表

所以HashMap内部是采用“拉链法”来实现，示意图如下

确定桶下标

确定桶下标也就是确定键值对保存在数组中的下标，是根据key的哈希值来确定的，是用key的哈希值取模桶的长度得到。

虽然key的hashCode是int型取值有40多亿，但是由于桶长度远远小于hashCode能够取到的值，就会常常发生取模后得到的下标值相同的情景，

这称为“哈希碰撞”。为了解决这个问题，java设置了扰动函数来尽量减少哈希碰撞，就是代码中的hash()函数

     /**找到存放该key的桶的下标时，是通过hashCode与桶的长度取余得到的。
      *由于取余是通过与操作完成的，会忽略hash值的高位。
      * 扰动函数就是为了解决hash碰撞的。它会综合hash值高位和低位的特征，并存放在低位，因此在与运算时，
      * 相当于高低位一起参与了运算，以减少hash碰撞的概率。（在JDK8之前，扰动函数会扰动四次，JDK8简化了这个操作）
      */
     static final int hash(Object key) {
         int h;
         return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
     }    

扩容方法

介绍

设 HashMap 的 table 长度为 M，需要存储的键值对数量为 N，如果哈希函数满足均匀性的要求，那么每条链表的长度大约为 N/M，因此平均查找次数的复杂度为 O(N/M)。

为了让查找的成本降低，应该尽可能使得 N/M 尽可能小，因此需要保证 M 尽可能大，也就是说 table 要尽可能大。HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值，使得空间效率和时间效率都能得到保证。

和扩容相关的参数主要有：capacity、size、threshold 和 load_factor。

变量	含义
capicity	哈希桶的容量，默认为16，注意capicity一定是2的N次方（因为hashmap中很多运算都是用位运算代替的，2的N次方才会使位运算满足代码逻辑）
size	键值对的数量
threshold	阀值。当键值对的数量size>threshold的时候就会发生扩容
load_factor	装载因子。threshold = capicity*load_factor

扩容方法源码解析

     final Node<K,V>[] resize() {
         //初始哈希桶
         Node<K,V>[] oldTab = table;
         //初始哈希桶容量
         int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
         //初始阀值
         int oldThr = threshold;
         //设置新的哈希桶容量和阀值都为0
         int newCap, newThr = 0;
         //当前容量>0
         if (oldCap > 0) {
             //如果旧哈希桶容量超过最大值，将阀值设为int的最大值1<<31-1,不扩容直接返回旧哈希桶
             if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                 threshold = Integer.MAX_VALUE;
                 return oldTab;
             }//否则新的容量为旧的容量的2倍
             else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                      oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                 //阀值也为旧阀值的2倍
                 newThr = oldThr << 1; // double threshold
         }//当前哈希桶是空的，但是有阀值的，代表的是初始设置了容量和阀值的情况
         else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
             newCap = oldThr;
         else {   //当前哈希表是空的且没有阀值，代表的是无参构造器的情况，则需要进行初始化
             // zero initial threshold signifies using defaults
             //容量设置为默认容量16
             newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
             //阀值设置为默认容量*默认加载因子
             newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
         }
         if (newThr == 0) {
             float ft = (float)newCap * loadFactor;
             newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                       (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
         }
         //更新阀值
         threshold = newThr;
         //根据新的容量创造新的哈希桶
         @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
             Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
         //更新哈希桶引用
         table = newTab;
         //旧哈希桶不为空，将旧表中的数据复制到新哈希桶里
         if (oldTab != null) {
             for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                 Node<K,V> e;
                 if ((e = oldTab[j]) != null) {
                     //将旧哈希桶里的元素设为null，方便GC
                     oldTab[j] = null;
                     //若原来链表上只有一个节点（不会发生哈希碰撞）
                     if (e.next == null)
                         /* 则只需要将其放到新的哈希桶里
                         *  桶的下标值是哈希值&（桶的长度-1），由于桶的长度是2的N次方，因此这实际上是个模运算
                         *  但是用位运算效率更高
                         */
                         newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                     //如果链表的长度超过了阀值则要转为红黑树存储，暂且不讨论
                     else if (e instanceof TreeNode)
                         ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                     //链表长度不超过阀值，将旧链表中的节点复制到新链表中
                     else { // preserve order
                         /*因为容量是翻倍扩大的，因此原链表上的节点可能放在存放在原来的位置上也就是low位
                         * 也可能存放在扩容后的下标上high上
                         * high = low+原哈希桶容量
                         */
                         //低位链表头指针和尾指针
                         Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                         //高位链表头指针和尾指针
                         Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                         Node<K,V> next;
                         do {
                             next = e.next;
                             /*利用位运算判断是放在低位链表还是高位链表
                             * 利用哈希值 与 旧的容量，可以得到哈希值去模后，是大于等于oldCap还是小于oldCap，
                             * 等于0代表小于oldCap，应该存放在低位，否则存放在高位
                             */
                             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);
                         //将低位链表放在原index处
                         if (loTail != null) {
                             loTail.next = null;
                             newTab[j] = loHead;
                         }
                         //将高位链表放在新index处
                         if (hiTail != null) {
                             hiTail.next = null;
                             newTab[j + oldCap] = hiHead;
                         }
                     }
                 }
             }
         }
         return newTab;
     }

put方法

jdk1.8采取的是“尾插法”，在此之前采用的是“头插法”

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

     /**
      * 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
      * @param evict if false, the table is in creation mode.
      * @return previous value, or null if none
      * jdk1.8以前是头插法，jdk1.8是尾插法
      * jdk1.8以前也没有转为成红黑树的设置，1.8中当链表长度大于threshold(默认为8)之后会转为红黑树
      */
     final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                    boolean evict) {
         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
         //若哈希桶为空，则直接初始化
         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
             n = (tab = resize()).length;
         //如果当前index=hash&(n-1)处的节点是空的，代表没有发生哈希碰撞
         //则直接生成一个新的node挂载上去
         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
         else {//发生了哈希碰撞
             Node<K,V> e; K k;
             //如果哈希值相同，key值也相同则覆盖
             if (p.hash == hash &&
                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                 e = p;
             else if (p instanceof TreeNode)//红黑树暂且不谈
                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
             else {//不是覆盖操作，则插入一个普通节点
                 //遍历链表
                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                     //找到尾节点
                     if ((e = p.next) == null) {
                         //插入节点
                         p.next = newNode(hash, key, value, null);
                         //如果追加节点后数量大于8则变成红黑树
                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                             treeifyBin(tab, hash);
                         break;
                     }
                     if (e.hash == hash &&
                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                         break;
                     p = e;
                 }
             }
             //如果e不是null,说明有需要覆盖的节点
             if (e != null) { // existing mapping for key
                 V oldValue = e.value;
                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                     //覆盖原来Value并返回OldValue
                     e.value = value;
                 //空实现函数，用作LinkedHashMap重写复用
                 afterNodeAccess(e);
                 return oldValue;
             }
         }
         ++modCount;
         //判断size是否需要扩容
         if (++size > threshold)
             resize();
         //空实现函数，用作LinkedHashMap重写复用
         afterNodeInsertion(evict);
         return null;
     }

get方法

     public V get(Object key) {
         Node<K,V> e;
         return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
     }

     /**
      * Implements Map.get and related methods
      *
      * @param hash hash for key
      * @param key the key
      * @return the node, or null if none
      */
     final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
         if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
             (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
             if (first.hash == hash && // always check first node
                 ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                 return first;
             if ((e = first.next) != null) {
                 if (first instanceof TreeNode)
                     return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                 //循环链表，找到key扰动后的哈希值和key值都相等的Node返回
                 do {
                     if (e.hash == hash &&
                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                         return e;
                 } while ((e = e.next) != null);
             }
         }
         return null;
     }

HashMap与HashTable比较

1、HashMap允许一个key为null，HashTable不予许

2、HashTable是线程安全的，因为给方法都加了synchronzied关键字

     public synchronized V put(K key, V value) {
         // Make sure the value is not null
         if (value == null) {
             throw new NullPointerException();
         }

         // Makes sure the key is not already in the hashtable.
         Entry<?,?> tab[] = table;
         int hash = key.hashCode();
         int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
         @SuppressWarnings("unchecked")
         Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
         for(; entry != null ; entry = entry.next) {
             if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
                 V old = entry.value;
                 entry.value = value;
                 return old;
             }
         }

         addEntry(hash, key, value, index);
         return null;
     }

3、HashMap计算桶下标的时候运用了扰乱函数，HashTable直接用key的hashCode值

4、HashMap迭代器是fail-fast迭代器

5、HashMap不能保证随着时间推移元素的次序不变

6、HashMap扩容时扩大一倍，HashTable扩容时扩大一倍+1

7、HashMap中用了许多的位运算来代替HashTable中相同作用的普通乘除运算，效率更高

1）取模桶长度求下标时，用hashCode与（桶长度-1）代替取模运算

2）扩容操作判断放在低位链表还是高位链表时

                             /*利用位运算判断是放在低位链表还是高位链表
                             * 利用哈希值 与 旧的容量，可以得到哈希值去模后，是大于等于oldCap还是小于oldCap，
                             * 等于0代表小于oldCap，应该存放在低位，否则存放在高位
                             */
                             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;
                             }

注意

1、jdk1.8中链表的长度大于8时就会转化成红黑树存储

2、在jdk1.8以前put方法是采取头插法的，jdk1.8中改成了尾插法

3、HashMap是线程不安全的