JDK源码分析-HashMap

一.HashMap的内部属性

1.1 成员变量

1.1.1 size：

HashMap包含的KV键值对的数量，也就是我们通常调用Map.size()方法的返回值

    public int size() {

        return size;

    }

1.1.2 modCount

HashMap的结构被修改的次数（包括KV映射数量和内部结构rehash次数），用于判断迭代器梳理中不一致的快速失败。

abstract class HashIterator {

...

  final Node<K,V> nextNode() {

            Node<K,V>[] t;

            Node<K,V> e = next;

            if (modCount != expectedModCount)

                throw new ConcurrentModificationException();

            if (e == null)

                throw new NoSuchElementException();

            if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {

                do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);

            }

            return e;

        }

...

}

1.1.3 threshold

下一次扩容时的阈值，达到阈值便会触发扩容机制resize（阈值 threshold = 容器容量 capacity * 负载因子 load factor）。也就是说，在容器定义好容量之后，负载因子越大，所能容纳的键值对元素个数就越多。计算方法如下：

 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;

    }

1.1.4 loadFactor

负载因子，默认是0.75

1.1.5 Node<K,V>[] table

底层数组，充当哈希表的作用，用于存储对应hash位置的元素，数组长度总是2的N次幂

1.2 内部类

1.2.1 Node<K,V>

/**

     * 定义HashMap存储元素结点的底层实现

     */

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

        final int hash;//元素的哈希值 由final修饰可知，当hash的值确定后，就不能再修改

        final K key;// 键，由final修饰可知，当key的值确定后，就不能再修改

        V value; // 值

        Node<K,V> next; // 记录下一个元素结点(单链表结构，用于解决hash冲突)

        /**

         * Node结点构造方法

         */

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

            this.hash = hash;//元素的哈希值

            this.key = key;// 键

            this.value = value; // 值

            this.next = next;// 记录下一个元素结点

        }

        public final K getKey()        { return key; }

        public final V getValue()      { return value; }

        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        /**

         * 为Node重写hashCode方法，值为：key的hashCode 异或 value的hashCode

         * 运算作用就是将2个hashCode的二进制中，同一位置相同的值为0，不同的为1。

         */

        public final int hashCode() {

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

        }

        /**

         * 修改某一元素的值

         */

        public final V setValue(V newValue) {

            V oldValue = value;

            value = newValue;

            return oldValue;

        }

        /**

         * 为Node重写equals方法

         */

        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;

        }

    }

1.2.2 TreeNode<K,V>

 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {

        //与left、right联合使用实现树结构

        TreeNode<K,V> parent;

        TreeNode<K,V> left;

        TreeNode<K,V> right;

        // needed to unlink next upon deletion

        TreeNode<K,V> prev;

        //记录树节点颜色

        boolean red;

     /**

     * 操作方法

     * 包括：树化、链栈化、增删查节点、根节点变更、树旋转、插入/删除节点后平衡红黑树

     */

     ...

}

1.3 Key的hash算法

Key的hash算法源码如下：

  static final int hash(Object key) {

        int h;

         ///key.hashCode()为哈希算法，返回初始哈希值

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

    }

因为HashMap中是允许key 为null的键值对，所以先判断了key == null。当key 不为null的时候，hash算法是先通过key.hashCode()计算出一个hash值再与改hash值的高16位做异或运算（有关异或运算请移步：java运算符与（&）、非（~）、或（|）、异或（^））上面的key.hashCode()已经计算出来了一个hash散列值，可以直接拿来用了，为何还要做一个异或运算？是为了对key的hashCode进行扰动计算（），防止不同hashCode的高位不同但低位相同导致的hash冲突。简单点说，就是为了把高位的特征和低位的特征组合起来，降低哈希冲突的概率，也就是说，尽量做到任何一位的变化都能对最终得到的结果产生影响

二. HashMap的初始化

HashMap的初始化有以下四种方法：

HashMap()
HashMap(int initialCapacity)
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

方法1的源码如下：

   public HashMap() {

        //使用默认的DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f

        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted

    }

　　其中的方法2本质上都是调用了方法3。initialCapacity是初始化HashMap的容量，loadFactor是在1.1.4中提到的负载因子。方法3的源码注释如下：

 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);

    }

方法4源码注释如下：

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {

        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

        putMapEntries(m, false);

    }

    /**

     * Implements Map.putAll and Map constructor

     *

     * @param m 要初始化的map

     * @param evict 初始化构造map时为false，其他情况为true

     */

    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {

        int s = m.size();

        //判断当前m容量

        if (s > 0) {

            // 初始化

            if (table == null) {

                //ft按照默认加载因子计算ft=s/0.75 +1计算出来

                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;

                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?

                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);

                if (t > threshold)

                    threshold = tableSizeFor(t);

            }

            else if (s > threshold)

                //s大于threshlod，需要扩容

                resize();

            //遍历m，并通过putVal初始化数据

            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {

                K key = e.getKey();

                V value = e.getValue();

                putVal(hash(key), key, value, false, evict);

            }

        }

    }

三. put过程

3.1 put的正常调用过程

put方法是HashMap的增加KV对的入口，putVal方法是具体实现，整个过程的大致流程如下：

对key的hashCode()做hash，然后再计算index;
如果没碰撞直接放到bucket里；
如果碰撞了，以链表的形式存在buckets后；
如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD)，就把链表转换成红黑树；
如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize

   public V put(K key, V value) {

        return putVal(hash(key), key, value, false, true);

    }

3.2 put过程剖析

putVal方法的源码解析如下：

/**

     * Implements Map.put and related methods

     *

     * @param hash key的hash值

     * @param key the key

     * @param value the value to put

     * @param onlyIfAbsent 为true不修改已经存在的值

     * @param evict 为false表示创建

     * @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;

        //table为空则创建

        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)

            n = (tab = resize()).length;

        //根据hash值计算出index,并校验当前tab中index的值是否存在

        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

            //当前tab中index的值为空，则直接插入到tab中

            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

        else {

            //当前tab节点已经存在hash相同的值

            Node<K,V> e; K k;

            //分别比较hash值和key值相等，就直接替换现有的节点

            if (p.hash == hash &&

                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                e = p;

            else if (p instanceof TreeNode)

                //当前节点已经树化

                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

            else {

                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {

                    if ((e = p.next) == null) {

                        p.next = newNode(hash, key, value, null);

                        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;

                }

            }

            //把初始化的节点写入

            if (e != null) { // existing mapping for key

                V oldValue = e.value;

                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)

                    e.value = value;

                afterNodeAccess(e);

                return oldValue;

            }

        }

        ++modCount;

        //判断是否需要resize扩容

        if (++size > threshold)

            resize();

        afterNodeInsertion(evict);

        return null;

    }

四. 扩容

4.1 什么条件下会扩容

当向容器添加元素的时候，会判断当前容器的元素个数，如果大于等于threshold阈值（即当前数组的长度乘以加载因子的值的时候），就要自动扩容了。

4.2 如何扩容

HashMap的扩容是调用了resize方法（初始化的时候也会调用），扩容是按照两倍的大小进行的，源码如下：

final Node<K,V>[] resize() {

        Node<K,V>[] oldTab = table;

        //取出tabble的大小

        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;

        int oldThr = threshold;

        int newCap, newThr = 0;

        //当map不为空的时候

        if (oldCap > 0) {

            //map已经大于最大MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30

            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {

                threshold = Integer.MAX_VALUE;

                return oldTab;

            }

            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&

                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)

                //向左位移1，扩大两倍

                newThr = oldThr << 1; // double threshold

        }

        //也就是HashMap初始化是调用了HashMap(initialCapacity)或者HashMap(initialCapacity,loadFactor)构造方法

        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold

            newCap = oldThr;

        //使用的是HashMap()构造方法

        else {               // zero initial threshold signifies using defaults

            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;

            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);

        }

        threshold = newThr;

        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})

            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];

        table = newTab;

        if (oldTab != null) {

            //当map不为空，需要赋值原有map中的数据到新table中

            ...

        }

        return newTab;

    }

从源码中可以看出，resize扩容是一个非常消耗性能的操作，所以在我们可以预知HashMap大小的情况下，预设的大小能够避免resize，也就能有效的提高HashMap的性能。

五. 树化与链表化

5.1 什么条件下会树化

当binCount达到阈值TREEIFY_THRESHOLD - 1的时候就会发生树化（TREEIFY_THRESHOLD = 8），也就是binCount>=7的时候就会进入到treeifyBin方法，但只有当大于MIN_TREEIFY_CAPACITY（= 64）才会触发treeify树化

 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st

      treeifyBin(tab, hash);

5.2 树化算法

算法

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {

        int n, index; Node<K,V> e;

        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)

            resize();

        // 通过hash求出bucket的位置

        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {

            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;

            do {

                // 将Node节点包装成TreeNode

                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)

                // 对TreeNode链表进行树化

                hd.treeify(tab);

        }

    }

        final void treeify(Node<K,V>[] tab) {

            TreeNode<K,V> root = null;

            //遍历TreeNode

            for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {

                //next向前

                next = (TreeNode<K,V>)x.next;

                x.left = x.right = null;

                //当根节点为空，就赋值

                if (root == null) {

                    x.parent = null;

                    x.red = false;

                    root = x;

                }

                else {

                   //root存在，就自顶向下遍历

                    ...

            }

            moveRootToFront(tab, root);

        }

六. get过程

get方法相对于put要简单一些，源码如下：

public V get(Object key) {

        Node<K,V> e;

        //根据key取hash，算法与put中一样

        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;

    }

    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {

        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;

        //1. 判断table不为空

        //2. table长度大于0

        //3. 与put方法一样计算tab的索引，并判断是否为空

        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

            //比较第一个节点的hash和key是都都相等

            if (first.hash == hash && // always check first node

                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                return first;

            if ((e = first.next) != null) {

                //红黑树：直接调用getTreeNode()

                if (first instanceof TreeNode)

                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

                do {

		    //链表：通过.next() 循环获取

                    if (e.hash == hash &&

                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                        return e;

                } while ((e = e.next) != null);

            }

        }

        return null;

    }

六. 常见问题

5.1 并发常见下CPU100%问题

Hash并非是线程安全的，在并发场景下，错误的使用HashMap可能会出现CPU100%的问题曾今有人在JDK1.4版本中的HashMap中提出过这样一个bug，官方也给出了答复“并非java或jvm的bug，而是使用不当”，当时所提出的地址是：JDK-6423457 : (coll) High cpu usage in HashMap.get() 左耳朵耗子前辈也做过分享：疫苗：JAVA HASHMAP的死循环

5.2 ConcurrentModificationException

https://blog.csdn.net/u010527630/article/details/69917063