你應該知道的Java HashMap源碼分析复局!

文章來源:http://www.importnew.com/31096.html.

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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