java并发之hashmap源码

在上篇博客中分析了hashmap的用法，详情查看java并发之hashmap

本篇博客重点分析下hashmap的源码（基于JDK1.8）

一、成员变量

HashMap有以下主要的成员变量

/**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     默认初始容量
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
 
    /**
     * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
     * by either of the constructors with arguments.
     * MUST be a power of two <= 1<<30.
      最大容量
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
 
    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     默认的加载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    /**
     * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
     * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
     * bin with at least this many nodes. The value must be greater
     * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
     * tree removal about conversion back to plain bins upon
     * shrinkage.
     JDK1.8在哈希冲突后，使用链表的方式存储数据，当链表中元素个数超过8个，则转化为红黑树的格式
     */
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
 
    /**
     * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
     * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
     * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
     当红黑树的节点数少于6个，则转化为链表
     */
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    /**
     * The table, initialized on first use, and resized as
     * necessary. When allocated, length is always a power of two.
     * (We also tolerate length zero in some operations to allow
     * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
     存储元素的数组
     */
    transient Node<K,V>[] table;
 
    /**
     * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
     * for keySet() and values().
 
     */
    transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
 
    /**
     * The number of key-value mappings contained in this map.
     key-value的个数
     */
    transient int size;

上面对HashMap中的主要成员变量做了注释，重点关注以下几个，

transient Node<K,V>[] table  这个成员变量是HashMap存储键值对的载体，Node类型的数组，可以联想到把键值对封装成了Node对象，然后使用数组存储一个一个的Node，体现了Java三大特性中的封装。

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;  HashMap的默认容量，即table数据组的默认长度，在构建table数组时使用。

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30  HashMap的最大容量，即table数据的最大长度。

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f  默认的加载因子，这个变量很重要，关系到HashMap扩容以及数组的饱和程度等

final float loadFactor  加载因子

int threshold  代表HashMap的阈值，=table数组的长度*loadFactor，当HashMap中键值对的数量大于threshold的时候便需要扩容，即把数据的长度扩大一倍

二、构造函数

HashMap提供了以下4个构造函数，

1、HashMap()

这个是默认的构造函数，其实现如下

public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

从其实现来看，仅指定了默认的负载因子，其他的均为默认值，默认的负载因子为0.75，这个值是经过经验得出的，是空间和时间上的一个均衡。

2、HashMap(int initialCapacity)

这个可以指定HashMap的初始容量，但此容量并非要创建的Node类型的table的长度，HashMap使用了tableSizeFor(int cap)方法对其处理，此方法下面会说到。构造方法的实现如下，

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

实现即调用了另一个构造方法

3、HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

这个构造方法可以指定两个参数，一个是初始容量，另一个是负载因子，前面说到容量*负载因子=阀值（threshold）,当键值对的数量（size）大于阀值时便要扩容。构造方法实现如下，

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);
    }

对给定的初始容量做了判断，最后通过tableSizeFor函数计算出的值给了threshold。

4、HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

使用一个Map类型的变量构造HashMap，其实现如下

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

指定了负载因子，看起来负载因子很重要。

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) { // pre-size
                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)
                resize();
            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);
            }
        }
    }

从4个构造方法中，可以看出都并未初始话table变量，即存储数据的数组，那么table变量在什么时候初始化那，是在put方法中。为什么要放在put方法中，那是因为如果我就调用了构造方法，然后初始化了table数组，分配了内存，然而我不向HashMap中放数据，即不调用put方法，那么肯定会造成内存的浪费，所以只有在真正调用put的时候才初始化table，考虑周全呀。

二、工具函数

这里重点分析两个工具函数，hash和tableSizeFor。

1、hash(Object key)

此函数的作用是传递一个key参数，返回一个int数值，

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

如果key为null，则返回0，否则，取key的hashCode值h和h无符号右移16位的异或值。为什么要这样做我们放在后边分析。这个函数决定了每个键值对在table数组中的位置。

2、tableForInt(int cap)

此函数是为了计算大于或等于给定参数的最小的2的N次方。

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;
    }

举个例子，现在给一个数19，调用此函数后返回32；给一个数16，调用此函数后返回16，给一个数15，调用此函数后返回16。

三、put/get操作

put和get操作是HashMap中常用的操作，使用频率很高，了解其实现对编写代码很有提升。

1、put(K key, V value)

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

从上面的代码中可以看出调用了putVal方法，使用hash函数对key进行了哈希。putVal的定义如下，

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //如果HashMap底层的数组table为空，或者其长度位0
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;//调用扩容方法进行扩容，并返回扩容后的长度
        //如果要存储的key在table中的索引处元素p为null，则说明此key所在索引处未产生hash冲突
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //生成一个Node节点，放在此key的索引处
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {//如果此key所在的索引处的元素p不为null，说明已经有其他的key的hash值和现在key的hash相同，产生了hash冲突，两个元素在table中的索引一致
            Node<K,V> e; K k;
            //如果要插入的key value和p的全部相同，把p赋给e
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
                //如果不相等，判断p的节点类型，如果是TreeNode类型，则证明是红黑树的结构，调用putTreeVal进行元素插入
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {//如果不是TreeNode类型，则说明是链表的结构，使用链表的方式插入，找到链表的尾部，进行插入
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //在p后插入元素
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //判断链表的元素数量，如果大于8，则调用treeifyBin方法转化为红黑树
                        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;
                }
            }
            //e不为null，说明存在一个相同的key，则需要进行value的替换，并返回旧值
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //如果插入元素后，元素个数大于threshold（阀值=数组容量*负载因子），进行扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

在上面的代码中做了详细的注释，下面把过程概括如下

1、判断HashMap底层存储数据的数组table是否为null或者长度为0（这里在进行table的初始化），如果是则进行扩容（第一次叫初始化）；

2、如果不是，取出要插入key在数组中索引位置的元素p，判断p是否为null，如果为null，则直接插入；

3、如果p不为null，判断判断p和待插入数据是否相等，如果相等使用e存储p（后面会判断e是否null，如果不为null，则进行值的替换）；

4、如果不等，判断p的类型是否为TreeNode，即是否为红黑树的结构，如果是则使用红黑树的方式插入；

5、如果不是TreeNode，则使用链表的方式插入；

6、插入完成后更新元素的个数size，如果size大于threshold进行扩容；

上面是put的大体过程，对于红黑树的插入，暂不做分析，下面分析下扩容函数resize，其源码如下

final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        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;
        //1、创建一个新的Node数组，保存数据
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        //2、如果旧数组不为空，则要把元素拷贝到新数组
        if (oldTab != null) {
            //循环旧数组中的元素
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                //j索引处不为null，取出给e
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    //清空j处的元素
                    oldTab[j] = null;
                    //2.1、判断e是否有后继，如果没有说明仅有一个Node元素，重新计算e中key的hash值，得到在新数组中的索引，进行插入
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    //2.2.1判断e是否为TreeNode类型，如果是使用红黑树的方式
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    //2.2.2不是红黑树的数据结构，为链表结构，进行链表结构的数据拷贝
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            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;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

在上面源码中进行了详细注释，具体步骤可查看注释。

2、get(Object key)

get函数是使用key取出其对于的value的过程，其源码如下

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

使用getNode函数取出Node元素，如果Node为null，则返回null，如果不为则返回其value属性值，关于Node类的构成稍后分析，先看getNode函数，

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null且长度大于0，且要取的key处索引位置元素不为null
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
                //2、如果第一个元素和给定的key相等则直接返回第一个元素first
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                //3.1、如果第一个元素的类型为TreeNode，使用红黑树的方式取得Node
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                //3.2、使用链表的方式取得Node
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

在上面的代码中进行了详细注释，可参考。

下面看下Node的结构，

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

Node作为HashMap的静态内部类，其属性有hash、key、value、next，使用这些属性存储数据，其中key value即为我们说的hashMap中的键值对，这里使用Node进行封装。next指向下个Node的地址。

以上对HashMap做了主要分析，后面计划对其哈希hash函数即红黑树做分析。

有不正之处，欢迎指正！