HashMap源码学习

r囧r小猫 2022-03-08 05:06 261阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  HashMap源码学习
 *   *  HashMap简介
     *  底层数据结构分析
     *   *  JDK1.8之前
         *  JDK1.8之后
     *  HashMap源码分析
     *   *  构造方法
         *  put方法
         *  get方法
         *  resize方法
     *  HashMap常用方法测试

# HashMap源码学习 #

## HashMap简介 ##

HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的Map接口实现，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由 数组+链表 组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）.JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

## 底层数据结构分析 ##

### JDK1.8之前 ###

JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在一起使用也就是 链表散列。HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:

JDK 1.8 的 hash方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。

static final int hash(Object key) {
          int h;
          // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode
          // ^ ：按位异或
          // >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐
          return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
      }

对比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源码.

static int hash(int h) {
        // 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);
    }

相比于 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。

所谓 “拉链法” 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### JDK1.8之后 ###

相比于之前的版本，jdk1.8在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

类的属性：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
        // 序列号
        private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
        // 默认的初始容量是16
        static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
        // 最大容量
        static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
        // 默认的填充因子
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
        // 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树
        static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
        // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
        static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
        // 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
        static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
        // 存储元素的数组，总是2的幂次倍
        transient Node<k,v>[] table; 
        // 存放具体元素的集
        transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
        // 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。
        transient int size;
        // 每次扩容和更改map结构的计数器
        transient int modCount;   
        // 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容
        int threshold;
        // 填充因子
        final float loadFactor;
    }

>  *  **loadFactor加载因子**

> loadFactor加载因子是控制数组存放数组的疏密程度，loadFactor越趋近于1，那么 数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，load Factor越小，也就是趋近于0

> \*\*loadFactor太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor的默认值为0.75f是官方给出的一个比较好的临界值。 　\*\*

>  *  **threshold**

> threshold = capacity \* loadFactor，当Size>=threshold的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 **衡量数组是否需要扩增的一个标准。**

**Node节点类源码：**

// 继承自 Map.Entry<K,V>
    	static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
           final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中时用来与其他元素hash值比较
           final K key;//键
           V value;//值
           // 指向下一个节点
           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;
            }
            public final K getKey()        { return key; }
            public final V getValue()      { return value; }
            public final String toString() { return key + "=" + value; }
            // 重写hashCode()方法
            public final int hashCode() {
                return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
            }
    
            public final V setValue(V newValue) {
                V oldValue = value;
                value = newValue;
                return oldValue;
            }
            // 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;
            }
    }

**树节点类源码**

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
            TreeNode<K,V> parent;  // 父
            TreeNode<K,V> left;    // 左
            TreeNode<K,V> right;   // 右
            TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
            boolean red;           // 判断颜色
            TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
                super(hash, key, val, next);
            }
            // 返回根节点
            final TreeNode<K,V> root() {
                for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
                    if ((p = r.parent) == null)
                        return r;
                    r = p;
           }

## HashMap源码分析 ##

### 构造方法 ###

// 默认构造函数。
     	// 加载因子默认初值 0.75f
        public More ...HashMap() {
            this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted
         }
         
         // 包含另一个“Map”的构造函数
         public More ...HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
             this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
             putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法
         }
         
         // 指定“容量大小”的构造函数
         public More ...HashMap(int initialCapacity) {
             this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
         }
         
         // 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
         public More ...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);
         }

**putMapEntries方法：**

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            // 判断table是否已经初始化
            if (table == null) { // pre-size
                // 未初始化，s为m的实际元素个数
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                        (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                // 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            // 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理
            else if (s > threshold)
                resize();
            // 将m中的所有元素添加至HashMap中
            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);
            }
        }
    }

### put方法 ###

HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。

对putVal方法添加元素的分析如下：

>  *  ① 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
>  *  ② 如果定位到的数组位置有元素就和要插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，如果key不相同，就判断p是否是一个树节点，如果是就调用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

public V put(K key, V value) {
        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;
        // table未初始化或者长度为0，进行扩容
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        // 桶中已经存在元素
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 将第一个元素赋值给e，用e来记录
                    e = p;
            // hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 放入树中
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            // 为链表结点
            else {
                // 在链表最末插入结点
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    // 到达链表的尾部
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 在尾部插入新结点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 结点数量达到阈值，转化为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        // 跳出循环
                        break;
                    }
                    // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        // 相等，跳出循环
                        break;
                    // 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表
                    p = e;
                }
            }
            // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
            if (e != null) { 
                // 记录e的value
                V oldValue = e.value;
                // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    //用新值替换旧值
                    e.value = value;
                // 访问后回调
                afterNodeAccess(e);
                // 返回旧值
                return oldValue;
            }
        }
        // 结构性修改
        ++modCount;
        // 实际大小大于阈值则扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 插入后回调
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

我们再来对比一下 JDK1.7 put方法的代码

对于put方法的分析如下：

>  *  ① 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
>  *  ② 如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。

public V put(K key, V value)
        if (table == EMPTY_TABLE) { 
        inflateTable(threshold); 
    }  
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { // 先遍历
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue; 
            }
        }
    
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);  // 再插入
        return null;
    }

### get方法 ###

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;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            // 数组元素相等
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            // 桶中不止一个节点
            if ((e = first.next) != null) {
                // 在树中get
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                // 在链表中get
                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 ###

进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免resize。

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) {
            // 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // 没超过最大值，就扩充为原来的2倍
            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 { 
            signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        // 计算新的resize上限
        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) {
            // 把每个bucket都移动到新的buckets中
            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 { 
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            // 原索引
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    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bucket里
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        // 原索引+oldCap放到bucket里
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

## HashMap常用方法测试 ##

package map;
    
    import java.util.Collection;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Set;
    
    public class HashMapDemo {
    
        public static void main(String[] args) {
            HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();
            // 键不能重复，值可以重复
            map.put("san", "张三");
            map.put("si", "李四");
            map.put("wu", "王五");
            map.put("wang", "老王");
            map.put("wang", "老王2");// 老王被覆盖
            map.put("lao", "老王");
            System.out.println("-------直接输出hashmap:-------");
            System.out.println(map);
            /**
             * 遍历HashMap
             */
            // 1.获取Map中的所有键
            System.out.println("-------foreach获取Map中所有的键:------");
            Set<String> keys = map.keySet();
            for (String key : keys) {
                System.out.print(key+"  ");
            }
            System.out.println();//换行
            // 2.获取Map中所有值
            System.out.println("-------foreach获取Map中所有的值:------");
            Collection<String> values = map.values();
            for (String value : values) {
                System.out.print(value+"  ");
            }
            System.out.println();//换行
            // 3.得到key的值的同时得到key所对应的值
            System.out.println("-------得到key的值的同时得到key所对应的值:-------");
            Set<String> keys2 = map.keySet();
            for (String key : keys2) {
                System.out.print(key + "：" + map.get(key)+"   ");
    
            }
            /**
             * 另外一种不常用的遍历方式
             */
            // 当我调用put(key,value)方法的时候，首先会把key和value封装到
            // Entry这个静态内部类对象中，把Entry对象再添加到数组中，所以我们想获取
            // map中的所有键值对，我们只要获取数组中的所有Entry对象，接下来
            // 调用Entry对象中的getKey()和getValue()方法就能获取键值对了
            Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();
            for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {
                System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());
            }
            
            /**
             * HashMap其他常用方法
             */
            System.out.println("after map.size()："+map.size());
            System.out.println("after map.isEmpty()："+map.isEmpty());
            System.out.println(map.remove("san"));
            System.out.println("after map.remove()："+map);
            System.out.println("after map.get(si)："+map.get("si"));
            System.out.println("after map.containsKey(si)："+map.containsKey("si"));
            System.out.println("after containsValue(李四)："+map.containsValue("李四"));
            System.out.println(map.replace("si", "李四2"));
            System.out.println("after map.replace(si, 李四2):"+map);
        }
    
    }

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