了解HashMap原理之前先了解一下几种数据结构:

1、数组:采用一段连续的内存空间来存储数据。对于指定下标的查找,时间复杂度为O(1),对于给定元素的查找,需要遍历整个数据,时间复杂度为O(n)。但对于有序

  数组的查找,可用二分查找法,时间复杂度为O(logn),对于一般的插入删除操作,涉及到数组元素的移动,其平均时间复杂度为O(n)。

2、哈希表:也叫散列表,用的是数组支持元素下标随机访问的特性,将键值映射为数组的下标进行元素的查找。所以哈希表就是数组的一种扩展,将键值映射为元素下标的函数叫做

  哈希函数,哈希函数运算得到的结果叫做哈希值。哈希函数的设计至关重要,好的哈希函数会尽可能地保证计算简单和散列地址分布均匀。

  哈希冲突(也叫哈希碰撞):不同的键值通过哈希函数运算得到相同的哈希值,解决哈希冲突的方式有开放寻址法和链表法,ThreadLocalMap由于其元素个数较少,

  采用的是开放寻址法,而HashMap采用的是链表法来解决哈希冲突,即所有散列值相同的元素都放在相同槽对应的链表中(也就是数组+链表的方式)

3、链表:链表使用内存中不连续的内存块进行数组的存储,其不支持随机访问,每次元素的查找都要遍历整个链表,时间复杂度为O(n)。

  HashMap是由数组+链表构成的,即存放链表的数组,数组是HashMap的主体,链表则是为了解决哈希碰撞而存在的,如果定位到的数组不包含链表(当前的entry指向为null),那么对于查找,删除等操作,时间复杂度仅为O(1),如果定位到的数组包含链表,对于添加操作,其时间复杂度为O(n),首先需要遍历链表,存在相同的key则覆盖value,否则新增;对于查找操作,也是一样需要遍历整个链表,然后通过key对象的equals方法逐一比对,时间复杂度也为O(n)。所以,HashMap中链表出现的越少,长度越短,性能才越好,这也是HashMap设置阀值即扩容的原因。

HashMap的主干是一个Entry数组,Entry是HashMap的基本组成单元,每一个Entry包含一个key-value键值对。

    /**
* An empty table instance to share when the table is not inflated.
*/
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
/**
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

Entry是HashMap中的一个静态内部类

    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash; /**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
} public final K getKey() {
return key;
} public final V getValue() {
return value;
} public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
} public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
} public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
} public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
} /**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
} /**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}

其他属性:

    /**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.处理容量,2的4次方,16,扩容后的容量必须是2的次方
*/
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,2的30次方
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /**
* The load factor used when none specified in constructor.  默认负载因子,0.75f
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
* @serial
*/
// If table == EMPTY_TABLE then this is the initial capacity at which the
// table will be created when inflated.
int threshold;  扩容阀值

构造函数:

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
     // 校验初始容量值是否合法
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;
     // 目前扩容阀值等于初始容量,在真正构建数组的时候,其值为 容量*负载因子
threshold = initialCapacity;
init();
}

可以看到,在进行put操作的时候才真正构建table数组

put方法:

    public V put(K key, V value) {
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
     // 根据key计算哈希值
int hash = hash(key);
     // 根据哈希值和数据长度计算数据下标
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
       // 哈希值相同再比较key是否相同,相同的话值替换,否则将这个槽转成链表
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
} modCount++;  // fast-fail,迭代时响应快速失败,还未添加元素就进行modCount++,将为后续留下很多隐患
addEntry(hash, key, value, i);  // 添加元素,注意最后一个参数i是table数组的下标
return null;
}

inflateTable:

    /**
* Inflates the table.
*/
private void inflateTable(int toSize) {
// Find a power of 2 >= toSize,寻找大于等于toSize的最小的2的次幂,如果toSize=13,则capacity=16;toSize=16,capacity=16
     // toSize=28,capacity=32;也就是说,当你设置了HashMap的初始容量initCapacity时,并不是存储的数据达到设置的初始容量initCapacity*loadFactor时就扩容
     // 而是到了capacity = roundUpToPowerOf2(initCapacity),capacity *loadFactor时才会扩容。
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize); // 返回小于(toSize- 1) *2的最接近的2的次幂 ,如果toSize=1,则capacity=1,所以如果将initcapacity设为的话,第一次put不会扩容 threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}

hash方法:

    final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
    // 先取key的hashCode再和hashSeed进行异或运算
h ^= k.hashCode(); // This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

indexFor:

    /**
* Returns index for hash code h.  返回数组下标
*/
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);  保证获取的index一定在数组范围内
}

所以最终存储位置的获取流程是这样的:

key--hashCode()-->hashCode--hash()-->h--indexFor()、h&(length-1)-->存储下标

addEntry:

   transient int size;  // Entry数组实际大小
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
     // 添加新元素前先判断数组的大小是否大于等于阀值,如果是且数组下标位置已经存在元素则对数组进行扩容,并对新的key重新根据新的数组长度计算下标
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
       // 数组长度扩容为之前的2倍
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
    
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
  // 将新的key-value存入Entry数组并size自增1
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  //如果两个线程同时执行到此处,那么一个线程的赋值就会被另一个覆盖掉,这是对象丢失的原因之一
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);  
size++;
}

resize:

    void resize(int newCapacity) {
     // 保存就的数组
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
     // 判断数组的长度是不是已经达到了最大值
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
     // 创建一个新的数组
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
     // 将旧数组的内容转换到新的数组中
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
     // 计算新数组的扩容阀值
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

transfer:

哈希桶内的元素被逆序排列到新表中

    /**
* Transfers all entries from current table to newTable.
*/
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
     // 遍历旧数组得到每一个key再根据新数组的长度重新计算下标存进去,如果是一个链表,则链表中的每个键值对也都要重新hash计算索引
for (Entry<K,V> e : table) {
      // 如果此slot上存在元素,则进行遍历,直到e==null,退出循环
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
         // 当前元素总是直接放在数组下标的slot上,而不是放在链表的最后,所以
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
         // 把原来slot上的元素作为当前元素的下一个
e.next = newTable[i];
         // 新迁移过来的节点直接放置在slot位置上
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}

get方法:

    public V get(Object key) {
    // 如果key为null,直接去table[0]处去检索即可
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key); // 根据key去获取Entry数组 return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
     // 根据key的hashCode重新计算hash值
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     // 获取查找的key所在数组中的索引,然后遍历链表,通过equals方法对比key找到对应的记录
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}

get方法相对比较简单,key(hashCode)-->hash-->indexFor-->index,找到对应位置table[index],再查看是否有链表,通过key的equals方法对比找到对应的记录。

重写equal方法的同时必须重写hashCode()方法?如果不重写会有什么问题呢?

如:User类重写了equals方法却没有重写hashCode方法

public class User {
private int age;
private String name; public User(int age, String name) {
this.age = age;
this.name = name;
} public int getAge() {
return age;
} public void setAge(int age) {
this.age = age;
} public String getName() {
return name;
} public void setName(String name) {
this.name = name;
} @Override
public boolean equals(Object o) {
if (this == o) {
return true;
}
if (o == null || getClass() != o.getClass()) {
return false;
}
User user = (User) o;
return age == user.age &&
Objects.equals(name, user.name);
} }

将其作为key存入HashMap中,然后获取

        User user = new User(20, "yangyongjie");
Map<User, String> map = new HashMap<>(1);
map.put(user, "菜鸟");
String value = map.get(new User(20, "yangyongjie"));
System.out.println(value); //null

结果却为null,为什么呢?因为在默认情况下,hashCode方法是将对象的存储地址进行映射的,Object.hashCode()的实现是默认为每一个对象生成不同的int数值,它本身是native方法,一般与对象内存地址相关。而上面put和get的User虽然通过重写了equals方法使其逻辑上年龄和姓名相等的两个对象被判定为同一个对象,但是其两个对象的地址值并不相同,因此hashCode一定不同,那自然在put时的下标和get时的下标也不同。所以,如果重写了equals方法一定要同时重写hashCode方法。

此外,因为Set存储的是不重复的对象,依据hashCode和equals进行判断,所以Set存储的自定义对象也必须重写这两个方法。

补充一下:未重写前的equals方法和hashCode方法都可以用来比较两个对象的地址值是否相同,不同的是,两个地址值不同的对象的hashCode可能相同,但是equals一定不同。

HashMap存在的一些问题

死链:

  两个线程A,B同时对HashMap进行resize()操作,在执行transfer方法的while循环时,若此时当前槽上的元素为a-->b-->null

  1、线程A执行到 Entry<K,V> next = e.next;时发生阻塞,此时e=a,next=b

  2、线程B完整的执行了整段代码,此时新表newTable元素为b-->a-->null

  3、线程A继续执行后面的代码,执行完一个循环之后,newTable变为了a<-->b,造成while(e!=null) 一直死循环,CPU飙升

扩容数据丢失:

  同样在resize的transfer方法上

  1、当前线程迁移过程中,其他线程新增的元素有可能落在已经遍历过的哈希槽上;在遍历完成之后,table数组引用指向了newTable,

    这时新增的元素就会丢失,被无情的垃圾回收。

  2、如果多个线程同时执行resize,每个线程又都会new Entry[newCapacity],此时这是线程内的局部变量,线程之前是不可见的。迁移完成

    后,resize的线程会给table线程共享变量,从而覆盖其他线程的操作,因此在被覆盖的new table上插入的数据会被丢弃掉。

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