一、簡述
本篇內(nèi)容我們來聊聊我們?nèi)粘i_發(fā)中經(jīng)常使用的一個類--HashMap,相信大家都不陌生鹃共。
二、歸納
- 繼承了AbstractMap抽象類驶拱,實現(xiàn)了Map接口霜浴,實現(xiàn)了Cloneable,Serializable接口,所以支持復制(拷貝)蓝纲、序列化阴孟。
- HashMap的底層是基于拉鏈式的散列算法實現(xiàn)的,也就是數(shù)組+鏈表+紅黑樹,允許null鍵和null值存在,默認初始容量為16煌集,默認負載因子為0.75畅蹂,擴容時擴容為原來容量的2倍,且底層數(shù)組容量一定為2的整數(shù)次冪。
- HashMap在求hash值的時,當key為null時,hash值為0闯冷,當key不為null時,采用key.hashCode()^(key.hashCode()>>>16)進行計算懈词,通過這種方式蛇耀,讓高位數(shù)據(jù)與低位數(shù)據(jù)進行按位異或操作,以此加大低位信息的隨機性坎弯,變相的讓高位數(shù)據(jù)參與到纺涤,從而達到降低hash的碰撞沖突译暂。
- HashMap在求位置索引是,采用(length - 1) & hash的方式撩炊,等價于hash % length外永,但是取余運算沒有按位與運算高。
- HashMap是非線程安全的拧咳,只是用于單線程環(huán)境下伯顶,多線程環(huán)境下可以采用concurrent并發(fā)包下的concurrentHashMap。
三骆膝、分析
1祭衩、接口
在分析HashMap源碼之前,我們先來看看集合的接口--Map阅签。
public interface Map<K, V> {
...
// 增
V put(K key, V value);
// 刪
V remove(Object key);
// 查
V get(Object key);
...
}
在上述接口中掐暮,我只抽取了比較重要的幾個方法,然后以此為后續(xù)重點分析目標政钟,其Map接口對應的源碼中遠不止上述幾個方法劫乱,有興趣的同學可以自行翻閱。
2锥涕、靜態(tài)內(nèi)部內(nèi)
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
// HashMap的結(jié)構(gòu)
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
// 整型的hash值
final int hash;
// 鍵
final K key;
// 值
V value;
// 下一個節(jié)點
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; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
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;
}
}
// 紅黑樹的靜態(tài)內(nèi)部類
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
...
}
...
}
3、成員變量
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
// 序列化唯一表示UID
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
// 默認初始容量為16狭吼,0000 0001 右移4位 0001 0000為16层坠,主干數(shù)組的初始容量為16,
// 且這個數(shù)組必須是2的整數(shù)次方冪
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 最大容量為int的最大值除2
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默認負載因子為0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 閾值刁笙,如果主干數(shù)組上的鏈表的長度大于8破花,鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// Hash表擴容后,如果發(fā)現(xiàn)某一個紅黑樹的長度小于6疲吸,則會重新退化為鏈表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 當hashmap容量大于64時座每,鏈表才能轉(zhuǎn)成紅黑樹
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 存儲元素的數(shù)組,transient關鍵字表示該屬性不能被序列化
transient Node<K,V>[] table;
// 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成set的另一種存儲形式摘悴,這個變量主要用于迭代功能
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
// HashMap的元素數(shù)量
transient int size;
// HashMap結(jié)構(gòu)性變化的次數(shù)
transient int modCount;
// 當前HashMap所能容納鍵值對數(shù)量的最大值峭梳,超過這個值,則需擴容
int threshold;
// 負載因子
final float loadFactor;
...
}
3蹂喻、構(gòu)造函數(shù)
構(gòu)造函數(shù)是一個類最常見的葱椭,同樣也是最常被使用到的,接著我們分析HashMap的四個不同的構(gòu)造函數(shù)口四。
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
/**
`* 無參構(gòu)造函數(shù)
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}
/**
* 有參構(gòu)造函數(shù)
*
* @param initialCapacity 數(shù)組容量
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 有參構(gòu)造函數(shù)
*
* @param initialCapacity 數(shù)組容量
* @param initialCapacity 負載因子
*/
public 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);
}
/**
* 有參構(gòu)造函數(shù)
*
* @param m 傳入Map集合
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
/**
* 返回一個比給定整數(shù)大且最接近的2的冪次方整數(shù)
* 例如:給定10孵运,返回2的4次方16,因為HashMap要求容量必須是2的冪蔓彩。
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
/**
* 將m的所有元素存入本HashMap實例中
*
* @param m map集合
* @param evict 如果為false治笨,則表處于創(chuàng)建模式驳概。
*/
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
// 得到 m 中元素的個數(shù)
int s = m.size();
// 當 m 中有元素時,則需將map中元素放入本HashMap實例旷赖。
if (s > 0) {
// 判斷table是否已經(jīng)初始化顺又,如果未初始化,則先初始化一些變量杠愧。
if (table == null) { // pre-size
// 根據(jù)待插入的map 的 size 計算要創(chuàng)建的 HashMap 的容量待榔。
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
// 把要創(chuàng)建的 HashMap 的容量存在 threshold 中
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
// 如果table初始化過,因為別的函數(shù)也會調(diào)用它流济,所以有可能HashMap已經(jīng)被初始化過了锐锣。
// 判斷待插入的 map 的 size,若 size 大于 threshold,則先進行 resize()绳瘟,進行擴容
else if (s > threshold)
resize();
// //然后就開始遍歷 帶插入的 map 雕憔,將每一個 <Key ,Value> 插入到本HashMap實例。
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
// put(K,V)也是調(diào)用 putVal 函數(shù)進行元素的插入
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
...
}
注意:默認情況下糖声,threshold=capacity*loadFactor斤彼,但是在其它情況下也會由tableSizeFor()方法計算得出。
-------------------------------
假設cap = 10
n = cap - 1;// 9 0000 1001
-------------------------------
n | n >>> 1; 0000 1001
OR 0000 0100
0000 1101
-------------------------------
n |= n >>> 2; 0000 1101
OR 0000 0011
0000 1111
-------------------------------
n |= n >>> 4; 0000 1111
OR 0000 0000
0000 1111
-------------------------------
n |= n >>> 8; 0000 1111
OR 0000 0000
0000 1111
-------------------------------
n |= n >>> 16; 0000 1111
OR 0000 0000
0000 1111
-------------------------------
n = n + 1; 0001 0000(16)
4蘸泻、增操作
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
/**
* 增
*
* @param 指定值要與之關聯(lián)的鍵
* @param 與指定鍵相關聯(lián)的值
* @return 返回其指定鍵對應的舊值琉苇,如果key原本沒存入,則返回null
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* 增
*
* @param 指定值要與之關聯(lián)的鍵
* @param 與指定鍵相關聯(lián)的值
* @return 返回其指定鍵對應的舊值悦施,如果key原本沒存入并扇,則返回null
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 如果table為空或者長度為0,則resize()
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 確定插入table的位置抡诞,算法是(n - 1) & hash穷蛹,在n為2的冪時,相當于取摸操作昼汗。
// 找到key值對應的槽并且是第一個肴熏,直接加入
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// 在table的i位置發(fā)生碰撞,有兩種情況顷窒,1蛙吏、key值是一樣的,替換value值鞋吉,
// 2出刷、key值不一樣的有兩種處理方式:2.1、存儲在i位置的鏈表坯辩;2.2馁龟、存儲在紅黑樹中
else {
Node<K,V> e; K k;
// 第一個node的hash值即為要加入元素的hash
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 2.2
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 2.1
else {
// 不是TreeNode,即為鏈表,遍歷鏈表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 鏈表的尾端也沒有找到key值相同的節(jié)點,則生成一個新的Node漆魔,
// 并且判斷鏈表的節(jié)點個數(shù)是不是到達轉(zhuǎn)換成紅黑樹的上界達到坷檩,則轉(zhuǎn)換成紅黑樹却音。
if ((e = p.next) == null) {
// 創(chuàng)建鏈表節(jié)點并插入尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 超過了鏈表的設置長度8就轉(zhuǎn)換成紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 如果e不為空就替換舊的oldValue值
if (e != null) {
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
/**
* 計算key的hash值
*
* key的hash值是通過其hashCode()高16位按位異或低16位實現(xiàn)的
* 主要目的是通過這樣方式降低其hash碰撞
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
/**
* 擴容
*
* @return 返回新的一維數(shù)組
*/
final Node<K,V>[] resize() {
// 保存當前table
Node<K,V>[] oldTab = table;
// 保存當前table的容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
// 保存當前閾值
int oldThr = threshold;
// 初始化新的table容量和閾值
int newCap, newThr = 0;
// 1.resize()函數(shù)在size > threshold時被調(diào)用。oldCap大于 0 代表原來的 table 表非空矢炼,
// oldCap 為原表的大小系瓢,oldThr(threshold) 為 oldCap × load_factor
if (oldCap > 0) {
// 若舊table容量已超過最大容量,更新閾值為Integer.MAX_VALUE(最大整形值)句灌,
// 這樣以后就不會自動擴容了夷陋。
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 容量翻倍,使用左移胰锌,效率更高
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
// 閾值翻倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 2. resize()函數(shù)在table為空被調(diào)用骗绕。oldCap 小于等于 0 且 oldThr 大于0,
// 代表用戶創(chuàng)建了一個 HashMap资昧,但是使用的構(gòu)造函數(shù)為HashMap(int initialCapacity,
// float loadFactor) 或 HashMap(int initialCapacity)或 HashMap(Map<? extends K,
// ? extends V> m)酬土,導致 oldTab 為 null,oldCap 為0格带, oldThr 為用戶指定的
// HashMap的初始容量撤缴。
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
// 當table沒初始化時,threshold持有初始容量叽唱。
newCap = oldThr;
// 3. resize()函數(shù)在table為空被調(diào)用屈呕。oldCap 小于等于 0 且 oldThr 等于0,
// 用戶調(diào)用 HashMap()構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的 HashMap棺亭,所有值均采用默認值虎眨,oldTab(Table)表為空,
// oldCap為0侦铜,oldThr等于0。
else {
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 新閾值為0
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"})
// 初始化table
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 把 oldTab 中的節(jié)點 reHash 到 newTab 中去
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 若節(jié)點是單個節(jié)點钟鸵,直接在 newTab 中進行重定位
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
// 若節(jié)點是 TreeNode 節(jié)點钉稍,要進行 紅黑樹的 rehash 操作
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
// 若是鏈表,進行鏈表的 rehash 操作
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
// 將同一桶中的元素根據(jù)(e.hash & oldCap)是否為0進行分割棺耍,
// 分成兩個不同的鏈表贡未,完成rehash。
do {
next = e.next;
// 根據(jù)算法 e.hash & oldCap 判斷節(jié)點位置rehash 后是否發(fā)生改變
// 最高位==0蒙袍,這是索引不變的鏈表俊卤。
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 最高位==1 (這是索引發(fā)生改變的鏈表)
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {// 原bucket位置的尾指針不為空(即還有node)
loTail.next = null;// 鏈表最后得有個null
newTab[j] = loHead;// 鏈表頭指針放在新桶的相同下標(j)處
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
// rehash 后節(jié)點新的位置一定為原來基礎上加上 oldCap
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
...
}
5、刪操作
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
/**
* 如果存在害幅,則從此映射中刪除指定鍵的映射消恍。
*
* @param 要從映射中刪除其映射的鍵
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
* (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
* previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
/**
* 刪除一個Node節(jié)點
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to match if matchValue, else ignored
* @param matchValue if true only remove if value is equal
* @param movable if false do not move other nodes while removing
* @return the node, or null if none
*/
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
// 1. 定位桶位置
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
// 如果鍵的值與鏈表第一個節(jié)點相等,則將 node 指向該節(jié)點
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
// 如果是 TreeNode 類型以现,調(diào)用紅黑樹的查找邏輯定位待刪除節(jié)點
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
// 2. 遍歷鏈表狠怨,找到待刪除節(jié)點
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 3. 刪除節(jié)點约啊,并修復鏈表或紅黑樹
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
else
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
...
}
6、查操作
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
...
/**
* 獲取鍵對應的值
*
* @return 返回對應的值佣赖,如果不存在則返回null
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* 通過hash和key獲取其對應的Node節(jié)點
*
* @param hash 通過key計算的hash值
* @param key 鍵
* @return 返回對應的Node節(jié)點恰矩,如果不存在則返回null
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 1. 定位鍵值對所在桶的位置
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
// 2. 如果 first 是 TreeNode 類型,則調(diào)用黑紅樹查找方法
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 2. 對鏈表進行查找
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
...
}
7憎蛤、HashMap JDK1.7和1.8的HashMap的不同點外傅?
- JDK1.7用的是頭插法,而JDK1.8及之后使用的都是尾插法俩檬,那么他們?yōu)槭裁匆@樣做呢萎胰?因為JDK1.7是用單鏈表進行的縱向延伸,當采用頭插法時會容易出現(xiàn)逆序且環(huán)形鏈表死循環(huán)問題豆胸。但是在JDK1.8之后是因為加入了紅黑樹使用尾插法奥洼,能夠避免出現(xiàn)逆序且鏈表死循環(huán)的問題。
- 擴容后數(shù)據(jù)存儲位置的計算方式也不一樣:1. 在JDK1.7的時候是直接用hash值和需要擴容的二進制數(shù)進行&(這里就是為什么擴容的時候為啥一定必須是2的多少次冪的原因所在晚胡,因為如果只有2的n次冪的情況時最后一位二進制數(shù)才一定是1灵奖,這樣能最大程度減少hash碰撞)(hash值 & length-1)。