Java - HashMap源码分析

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一、简介

  HashMap在底层数据结构上采用了数组+链表+红黑树。HashMap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。
  HashMap的实例具有两个影响其性能的参数:初始容量和负载因子。容量是哈希表中存储桶的数量,初始容量只是创建哈希表时的容量。负载因子是触发扩容临界点的比值。当哈希表中的条目数超过负载因子和当前容量的乘积时,哈希表将被重新哈希(即,内部数据结构将被重建),哈希表的存储桶数约为原先的两倍。
  默认负载因子(0.75)在时间和空间成本权衡相对较好的值。较高的值会减少空间开销,但会增加时间成本。反之,较低的值会增加空间开销,但会减少时间成本。因此在设置初始容量时,应考虑映射中的预期条目数及其负载因子,尽可能减少重新哈希操作的次数,以便提升性能。

二、数据结构

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三、源码

put方法

HashMap-put方法大致执行流程.jpg

  1. 判断键值对数组table[i]是否为空或为null,是的话,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,直接插入新节点,转向第六步;
  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;
  4. 判断table[i] 是否为treeNode,即table[i] 是否是红黑树,如果是红黑树,则直接在树中插入或更新节点;
  5. 遍历table[i],如果key存在则更新value,否则插入新节点。判断链表长度是否大于8,大于8且table长度小于64,则执行resize()进行扩容。大于8且table长度大于等于64,则把原单向链表转化为双向链表,再由双向链表转化为红黑树;
  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。

JDK1.8 HashMap的put方法源码如下:

  public V put(K key, V value) {
        // 由key生成hashCode
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
  }
  final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        // 步骤1:tab为空则创建
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 步骤2:计算index,并对null做处理 
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            // 步骤3:节点key存在,直接覆盖value
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            // 步骤4:判断该链为红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);24         
            // 步骤5:该链为链表
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 链表长度大于8开始树化进行处理
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // key已经存在直接覆盖value
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        // 步骤6:超过最大容量 就扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
    //开始树化操作
    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        //tab长度小于64则扩容
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        //tab长度大于等于64,才由链表转为红黑树。
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            //单向链表转化为双向链表。
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    // 引用传递
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                //转为红黑树
                hd.treeify(tab);
        }
    }

get()方法

  理解了put流程,get流程就相当简单容易了。接下来咱们直接看源码

 public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        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;
        //查找key对应的桶
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            //检查链表头节点的key与当前key是否相等,是则返回表头节点
            if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                //红黑树
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                //链表
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
 }

resize方法

  扩容(resize)就是当向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。但是Java数组无法自动扩容的,方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组。前面提到的负载因子就是触发自动扩容的条件之一。

JDK1.8 HashMap的resize方法源码如下:

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) {
            //超过或等于最大容量就不再扩容
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // oldCap << 1 等于 oldCap*2
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // 双倍阀值
        }
        else if (oldThr > 0) // 指定初始容量or负载因子时,第一次扩容oldCap=0,oldThr>0
            newCap = oldThr;
        else {               // 使用默认值
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        // 指定初始容量or负载因子时,第一次扩容 newThr = 0,计算新阀值
        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;
        //迁移数组节点
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    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;
                            // 计算旧数组元素存放到新数组的索引。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
                            // 原索引。
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    // 引用传递
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            // 原索引+oldCap
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        // 原索引放到新数组里
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        // 原索引+oldCap放到新数组里
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }
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