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本文從 Hash 方法開始,通過分析源碼沾乘,深入介紹了 JDK 不同版本中 HashMap 的實現(xiàn)。
HashMap 簡介
HashMap 主要用來存放鍵值對浑测,它基于哈希表的Map接口實現(xiàn)翅阵,是常用的Java集合之一歪玲。
JDK1.8 之前 HashMap 由 數(shù)組+鏈表 組成的,數(shù)組是 HashMap 的主體掷匠,鏈表則是主要為了解決哈希沖突而存在的(“拉鏈法”解決沖突).JDK1.8 以后在解決哈希沖突時有了較大的變化滥崩,當鏈表長度大于閾值(默認為 8)時,將鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹讹语,以減少搜索時間钙皮。
底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析
JDK1.8之前
JDK1.8 之前 HashMap 底層是?數(shù)組和鏈表?結(jié)合在一起使用也就是?鏈表散列。HashMap 通過 key 的 hashCode 經(jīng)過擾動函數(shù)處理過后得到 hash 值顽决,然后通過 (n - 1) & hash 判斷當前元素存放的位置(這里的 n 指的是數(shù)組的長度)短条,如果當前位置存在元素的話,就判斷該元素與要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同才菠,如果相同的話茸时,直接覆蓋,不相同就通過拉鏈法解決沖突鸠儿。
所謂擾動函數(shù)指的就是 HashMap 的 hash 方法屹蚊。使用 hash 方法也就是擾動函數(shù)是為了防止一些實現(xiàn)比較差的 hashCode() 方法 換句話說使用擾動函數(shù)之后可以減少碰撞。
JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源碼:
JDK 1.8 的 hash方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加簡化进每,但是原理不變汹粤。
static final int hash(Object key) {
int h;
// key.hashCode():返回散列值也就是hashcode
// ^ :按位異或
// >>>:無符號右移,忽略符號位田晚,空位都以0補齊
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
對比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源碼.
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 嘱兼,JDK 1.7 的 hash 方法的性能會稍差一點點,因為畢竟擾動了 4 次贤徒。
所謂?“拉鏈法”?就是:將鏈表和數(shù)組相結(jié)合芹壕。也就是說創(chuàng)建一個鏈表數(shù)組,數(shù)組中每一格就是一個鏈表接奈。若遇到哈希沖突踢涌,則將沖突的值加到鏈表中即可。
JDK1.8之后
相比于之前的版本序宦,jdk1.8在解決哈希沖突時有了較大的變化睁壁,當鏈表長度大于閾值(默認為8)時,將鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹互捌,以減少搜索時間潘明。
類的屬性:
public class HashMap extends AbstractMap implements Map, Cloneable, Serializable {
// 序列號
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
// 默認的初始容量是16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默認的填充因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 當桶(bucket)上的結(jié)點數(shù)大于這個值時會轉(zhuǎn)成紅黑樹
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 當桶(bucket)上的結(jié)點數(shù)小于這個值時樹轉(zhuǎn)鏈表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 桶中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為紅黑樹對應的table的最小大小
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 存儲元素的數(shù)組,總是2的冪次倍
transient Node[] table;
// 存放具體元素的集
transient Set> entrySet;
// 存放元素的個數(shù)秕噪,注意這個不等于數(shù)組的長度钳降。
transient int size;
// 每次擴容和更改map結(jié)構(gòu)的計數(shù)器
transient int modCount;
// 臨界值 當實際大小(容量*填充因子)超過臨界值時,會進行擴容
int threshold;
// 填充因子
final float loadFactor;
}
loadFactor加載因子
loadFactor加載因子是控制數(shù)組存放數(shù)據(jù)的疏密程度腌巾,loadFactor越趨近于1遂填,那么 數(shù)組中存放的數(shù)據(jù)(entry)也就越多铲觉,也就越密,也就是會讓鏈表的長度增加城菊,load Factor越小备燃,也就是趨近于0,
loadFactor太大導致查找元素效率低凌唬,太小導致數(shù)組的利用率低并齐,存放的數(shù)據(jù)會很分散。loadFactor的默認值為0.75f是官方給出的一個比較好的臨界值客税。
threshold
threshold = capacity * loadFactor况褪,當Size>=threshold的時候,那么就要考慮對數(shù)組的擴增了更耻,也就是說测垛,這個的意思就是 衡量數(shù)組是否需要擴增的一個標準。
Node節(jié)點類源碼:
// 繼承自 Map.Entry
static class Node implements Map.Entry {
final int hash;// 哈希值秧均,存放元素到hashmap中時用來與其他元素hash值比較
final K key;//鍵
V value;//值
// 指向下一個節(jié)點
Node next;
Node(int hash, K key, V value, Node 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; }
// 重寫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;
}
// 重寫 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;
}
}
樹節(jié)點類源碼:
static final class TreeNode extends LinkedHashMap.Entry {
TreeNode parent; // 父
TreeNode left; // 左
TreeNode right; // 右
TreeNode prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red; // 判斷顏色
TreeNode(int hash, K key, V val, Node next) {
super(hash, key, val, next);
}
// 返回根節(jié)點
final TreeNode root() {
for (TreeNode r = this, p;;) {
if ((p = r.parent) == null)
return r;
r = p;
}
HashMap源碼分析
構(gòu)造方法
// 默認構(gòu)造函數(shù)食侮。
public?More ...HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
// 包含另一個“Map”的構(gòu)造函數(shù)
public?More ...HashMap(Mapextends?K, ??extends?V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m,?false);//下面會分析到這個方法
}
// 指定“容量大小”的構(gòu)造函數(shù)
public?More ...HashMap(int?initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 指定“容量大小”和“加載因子”的構(gòu)造函數(shù)
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(Mapextends?K, ??extends?V> m,?boolean?evict) {
int?s = m.size();
if?(s > 0) {
// 判斷table是否已經(jīng)初始化
if?(table ==?null) { // pre-size
// 未初始化,s為m的實際元素個數(shù)
float?ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int?t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
// 計算得到的t大于閾值目胡,則初始化閾值
if?(t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
// 已初始化锯七,并且m元素個數(shù)大于閾值,進行擴容處理
else?if?(s > threshold)
resize();
// 將m中的所有元素添加至HashMap中
for?(Map.Entryextends?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用于添加元素誉己,putVal方法只是給put方法調(diào)用的一個方法眉尸,并沒有提供給用戶使用。
對putVal方法添加元素的分析如下:
①如果定位到的數(shù)組位置沒有元素 就直接插入巨双。
②如果定位到的數(shù)組位置有元素就和要插入的 key 比較噪猾,如果key相同就直接覆蓋,如果 key 不相同筑累,就判斷 p 是否是一個樹節(jié)點袱蜡,如果是就調(diào)用 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value) 將元素添加進入。如果不是就遍歷鏈表插入慢宗。
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[] tab; Node p; int n, i;
// table未初始化或者長度為0坪蚁,進行擴容
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// (n - 1) & hash 確定元素存放在哪個桶中,桶為空婆廊,新生成結(jié)點放入桶中(此時迅细,這個結(jié)點是放在數(shù)組中)
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// 桶中已經(jīng)存在元素
else {
Node e; K k;
// 比較桶中第一個元素(數(shù)組中的結(jié)點)的hash值相等巫橄,key相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 將第一個元素賦值給e淘邻,用e來記錄
e = p;
// hash值不相等,即key不相等湘换;為紅黑樹結(jié)點
else if (p instanceof TreeNode)
// 放入樹中
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 為鏈表結(jié)點
else {
// 在鏈表最末插入結(jié)點
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 到達鏈表的尾部
if ((e = p.next) == null) {
// 在尾部插入新結(jié)點
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 結(jié)點數(shù)量達到閾值宾舅,轉(zhuǎn)化為紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
// 跳出循環(huán)
break;
}
// 判斷鏈表中結(jié)點的key值與插入的元素的key值是否相等
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 相等统阿,跳出循環(huán)
break;
// 用于遍歷桶中的鏈表,與前面的e = p.next組合筹我,可以遍歷鏈表
p = e;
}
}
// 表示在桶中找到key值扶平、hash值與插入元素相等的結(jié)點
if (e != null) {
// 記錄e的value
V oldValue = e.value;
// onlyIfAbsent為false或者舊值為null
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
//用新值替換舊值
e.value = value;
// 訪問后回調(diào)
afterNodeAccess(e);
// 返回舊值
return oldValue;
}
}
// 結(jié)構(gòu)性修改
++modCount;
// 實際大小大于閾值則擴容
if (++size > threshold)
resize();
// 插入后回調(diào)
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
我們再來對比一下 JDK1.7 put方法的代碼
對于put方法的分析如下:
①如果定位到的數(shù)組位置沒有元素 就直接插入。
②如果定位到的數(shù)組位置有元素蔬蕊,遍歷以這個元素為頭結(jié)點的鏈表结澄,依次和插入的key比較,如果key相同就直接覆蓋岸夯,不同就采用頭插法插入元素麻献。
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 e = table[i]; e != null; e = e.next) { // 先遍歷
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 getNode(int?hash, Object key) {
Node[] tab; Node first, e;?int?n; K k;
if?((tab = table) !=?null?&& (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) !=?null) {
// 數(shù)組元素相等
if?(first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key !=?null?&& key.equals(k))))
return?first;
// 桶中不止一個節(jié)點
if?((e = first.next) !=?null) {
// 在樹中g(shù)et
if?(first?instanceof?TreeNode)
return?((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
// 在鏈表中g(shù)et
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
進行擴容,會伴隨著一次重新hash分配猜扮,并且會遍歷hash表中所有的元素勉吻,是非常耗時的。在編寫程序中旅赢,要盡量避免resize齿桃。
final?Node[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int?oldCap = (oldTab ==?null) ? 0 : oldTab.length;
int?oldThr = threshold;
int?newCap, newThr = 0;
if?(oldCap > 0) {
// 超過最大值就不再擴充了,就只好隨你碰撞去吧
if?(oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return?oldTab;
}
// 沒超過最大值煮盼,就擴充為原來的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);
}
// 計算新的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[] newTab = (Node[])new?Node[newCap];
table = newTab;
if?(oldTab !=?null) {
// 把每個bucket都移動到新的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)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else?{
Node loHead =?null, loTail =?null;
Node 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常用方法測試
package?map;
import?java.util.Collection;
import?java.util.HashMap;
import?java.util.Set;
public?class?HashMapDemo {
public?static?void?main(String[] args) {
HashMap map =?new?HashMap();
// 鍵不能重復短纵,值可以重復
map.put("san", "張三");
map.put("si", "李四");
map.put("wu", "王五");
map.put("wang", "老王");
map.put("wang", "老王2");// 老王被覆蓋
map.put("lao", "老王");
System.out.println("-------直接輸出hashmap:-------");
System.out.println(map);
/**
* 遍歷HashMap
*/
// 1.獲取Map中的所有鍵
System.out.println("-------foreach獲取Map中所有的鍵:------");
Set<String> keys = map.keySet();
for?(String key : keys) {
System.out.print(key+" ");
}
System.out.println();//換行
// 2.獲取Map中所有值
System.out.println("-------foreach獲取Map中所有的值:------");
Collection<String> values = map.values();
for?(String value : values) {
System.out.print(value+" ");
}
System.out.println();//換行
// 3.得到key的值的同時得到key所對應的值
System.out.println("-------得到key的值的同時得到key所對應的值:-------");
Set<String> keys2 = map.keySet();
for?(String key : keys2) {
System.out.print(key + ":" + map.get(key)+" ");
}
/**
* 另外一種不常用的遍歷方式
*/
// 當我調(diào)用put(key,value)方法的時候,首先會把key和value封裝到
// Entry這個靜態(tài)內(nèi)部類對象中孕似,把Entry對象再添加到數(shù)組中踩娘,所以我們想獲取
// map中的所有鍵值對,我們只要獲取數(shù)組中的所有Entry對象喉祭,接下來
// 調(diào)用Entry對象中的getKey()和getValue()方法就能獲取鍵值對了
Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();
for?(java.util.Map.Entry 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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