1. 概述
HashMap 底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是:數(shù)組 + 鏈表 + 紅黑樹凡怎。其中當(dāng)鏈表的長度大于等于 8 時(shí)鸳玩,
鏈表會(huì)轉(zhuǎn)化成紅黑樹喻频,當(dāng)紅黑樹的大小小于等于 6 時(shí),紅黑樹會(huì)轉(zhuǎn)化成鏈表
HashMap是數(shù)組結(jié)構(gòu)粘都,數(shù)組的元素可能是單個(gè) Node,也可能是個(gè)鏈表刷袍, 也可能是個(gè)紅黑樹翩隧,
比如數(shù)組下標(biāo)索引為 2 的位置就是一個(gè)鏈表,下標(biāo)索引為 9 的位置對應(yīng)的 就是紅黑樹呻纹,具體細(xì)節(jié)我們下文再說
1.1 類注釋
從HashMap的類注釋中堆生,我們可以得到如下信息:
- 允許null值,不同于HashTable,是線程不安全的雷酪;
- load factor(影響因子)默認(rèn)值是0.75,是均衡了時(shí)間和空間損耗算出來的值淑仆,較高的值
會(huì)減少空間開銷(擴(kuò)容減少,數(shù)組大小增長速度變慢),但增加了查找成本(hash沖突增
加哥力,鏈表長度變長),不擴(kuò)容的條件:數(shù)組容量>需要的數(shù)組大小/load factor - 如果有很多數(shù)據(jù)需要儲(chǔ)存到HashMap中蔗怠,建議HashMap的容量一開始就設(shè)置成足夠的大
小,這樣可以防止在其過程中不斷的擴(kuò)容吩跋,影響性能寞射; - HashMap是非線程安全的,我們可以自己在外部加鎖锌钮,或者通過
Collections#synchronizedMap來實(shí)現(xiàn)線程安全桥温,Collections#synchronizedMap的實(shí)現(xiàn)
是在每個(gè)方法上加上了synchronized鎖; - 在迭代過程中梁丘,如果HashMap的結(jié)構(gòu)被修改侵浸,會(huì)快速失敗旺韭。
1.2 常見屬性
//初始容量為16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=1<<4;
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY =1<<30;
//負(fù)載因子默認(rèn)值
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75f;
/桶上的鏈表長度大于等于8時(shí),鏈表轉(zhuǎn)化成紅黑樹
static final int TREEIFY_THRESHOLD=8
/桶上的紅黑樹大小小于等于6時(shí)掏觉,紅黑樹轉(zhuǎn)化成鏈表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD=6;
//HashMap 樹最小容量,最少4倍TREEIFY_THRESHOLD区端,防止經(jīng)常擴(kuò)容縮容的開銷
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
2. 新增
新增 key,value 大概的步驟如下:
- 空數(shù)組有無初始化履腋,沒有的話初始化;
- 如果通過 key 的 hash 能夠直接找到值珊燎,跳轉(zhuǎn)到 6,否則到 3;
- 如果 hash 沖突遵湖,兩種解決方案:鏈表 or 紅黑樹;
- 如果是鏈表悔政,遞歸循環(huán),把新元素追加到隊(duì)尾;
- 如果是紅黑樹延旧,調(diào)用紅黑樹新增的方法;
- 通過 2谋国、4、5 將新元素追加成功迁沫,再根據(jù) onlyIfAbsent 判斷是否需要覆蓋;
- 判斷是否需要擴(kuò)容芦瘾,需要擴(kuò)容進(jìn)行擴(kuò)容,結(jié)束集畅。
//入?yún)ash:通過hash算法計(jì)算出來的值近弟。
//入?yún)nlylfAbsent:false表示即使key已經(jīng)存在了,仍然會(huì)用新值覆蓋原來的值挺智,默認(rèn)為false
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlylfAbsent,boolean evict){
//n表示數(shù)組的長度祷愉,i為數(shù)組索引下標(biāo),p為i下標(biāo)位置的Node值
Node<K,V>[]tab;Node<K,V>p;int n,i;
//如果數(shù)組為空赦颇,使用resize方法初始化
if((tab=table)==nullll(n=tab.length)==0)
n=(tab=resize().length;
//如果當(dāng)前索引位置是空的二鳄,直接生成新的節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前索引位置上
if((p=tab[i=(n-1)&hash])==null)
tab[i]=newNode(hash,key,value,null);
//如果當(dāng)前索引位置有值的處理方法,即我們常說的如何解決hash沖突
}else {
//e當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)變量
Node<K,V>e;Kk;
//如果key的hash和值都相等媒怯,直接把當(dāng)前下標(biāo)位置的Node值賦值給臨時(shí)變量
if(p.hash==hash&&
((k=p.key)==keyll(key!=null&&key.equals(k))))
e=p;
//如果是紅黑樹订讼,使用紅黑樹的方式新增
else if (p instanceof TreeNode)
e=((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this,tab,hash,key,value);
//是個(gè)鏈表,把新節(jié)點(diǎn)放到鏈表的尾端
else{
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//p.next==null表明p是鏈表的尾節(jié)點(diǎn)
if((e=p.next)==null){
//把新節(jié)點(diǎn)放到鏈表的尾部
p.next=newNode(hash,key,value,null);
//當(dāng)鏈表的長度大于等于8時(shí)扇苞,鏈表轉(zhuǎn)紅黑樹
if(binCount>=TREEIFY_THRESHOLD-1)
treeifyBin(tab,hash);
break;
}
//鏈表遍歷過程中欺殿,發(fā)現(xiàn)有元素和新增的元素相等,結(jié)束循環(huán)
if(e.hash==hash&&
((k=e.key)==keyll(key!=null&key.equals(k))))
break;
//更改循環(huán)的當(dāng)前元素杨拐,使p在遍歷過程中祈餐,一直往后移動(dòng)。
p=e;
}
}
//說明新節(jié)點(diǎn)的新增位置已經(jīng)找到了
if(e!=null){
V oldValue = e.value
//當(dāng)onlylfAbsent為false時(shí)哄陶,才會(huì)覆蓋值
if(!onlylfAbsentlloldValue==null)
e.value = value ;
afterNodeAccess(e);
//返回老值
return oldValue
}
}
//記錄HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化
++modCount;
//如果HashMap的實(shí)際大小大于擴(kuò)容的門檻帆阳,開始擴(kuò)容
if(++size>threshold)
resize();
afterNodelnsertion(evict);
return null;
}
新增的流程上面應(yīng)該已經(jīng)表示很清楚了,接下來我們來看看鏈表和紅黑樹新增的細(xì)節(jié):
2.1 鏈表的新增
鏈表的新增比較簡單,就是把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)追加到鏈表的尾部蜒谤,和LinkedList的追加實(shí)現(xiàn)一樣的山宾。
當(dāng)鏈表長度大于等于8時(shí),此時(shí)的鏈表就會(huì)轉(zhuǎn)化成紅黑樹鳍徽,轉(zhuǎn)化的方法是:treeifyBin,此方法
有一個(gè)判斷资锰,當(dāng)鏈表長度大于等于8,并且整個(gè)數(shù)組大小大于64時(shí),才會(huì)轉(zhuǎn)成紅黑樹阶祭,當(dāng)數(shù)組
大小小于64時(shí)绷杜,只會(huì)觸發(fā)擴(kuò)容,不會(huì)轉(zhuǎn)化成紅黑樹濒募,轉(zhuǎn)化成紅黑樹的過程也比較簡單
可能面試的時(shí)候鞭盟,有人問你為什么是8,這個(gè)答案在源碼中注釋有說,中文翻譯過來大概的意思是:
鏈表查詢的時(shí)間復(fù)雜度是O(n),紅黑樹的查詢復(fù)雜度是O(log(n))瑰剃。在鏈表數(shù)據(jù)不多的時(shí)候齿诉,
使用鏈表進(jìn)行遍歷也比較快,只有當(dāng)鏈表數(shù)據(jù)比較多的時(shí)候晌姚,才會(huì)轉(zhuǎn)化成紅黑樹粤剧,但紅黑樹需要
的占用空間是鏈表的2倍,考慮到轉(zhuǎn)化時(shí)間和空間損耗挥唠,所以我們需要定義出轉(zhuǎn)化的邊界值抵恋。
在考慮設(shè)計(jì)8這個(gè)值的時(shí)候,我們參考了泊松分布概率函數(shù)宝磨,由泊松分布中得出結(jié)論馋记,鏈表各
個(gè)長度的命中概率為:
0: 0.60653066
1: 0.30326533
2: 0.07581633
3: 0.01263606
4: 0.00157952
5: 0.00015795
6: 0.00001316
7: 0.00000094
8: 0.00000006
意思是,當(dāng)鏈表的長度是8的時(shí)候懊烤,出現(xiàn)的概率是0.00000006,不到千萬分之一,所以說正常
情況下宽堆,鏈表的長度不可能到達(dá)8,而一旦到達(dá)8時(shí)腌紧,肯定是hash算法出了問題,所以在這
種情況下畜隶,為了讓HashMap仍然有較高的查詢性能壁肋,所以讓鏈表轉(zhuǎn)化成紅黑樹,我們正常寫
代碼籽慢,使用HashMap時(shí)浸遗,幾乎不會(huì)碰到鏈表轉(zhuǎn)化成紅黑樹的情況,畢竟概念只有千萬分之一
2.2 紅黑樹新增節(jié)點(diǎn)過程
- 首先判斷新增的節(jié)點(diǎn)在紅黑樹上是不是已經(jīng)存在箱亿,判斷手段有如下兩種:
1.1. 如果節(jié)點(diǎn)沒有實(shí)現(xiàn)Comparable接口跛锌,使用equals進(jìn)行判斷;
1.2. 如果節(jié)點(diǎn)自己實(shí)現(xiàn)了Comparable接口届惋,使用compareTo進(jìn)行判斷髓帽。 - 新增的節(jié)點(diǎn)如果已經(jīng)在紅黑樹上菠赚,直接返回;不在的話郑藏,判斷新增節(jié)點(diǎn)是在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左邊
還是右邊衡查,左邊值小,右邊值大必盖; - 自旋遞歸1和2步拌牲,直到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左邊或者右邊的節(jié)點(diǎn)為空時(shí),停止自旋歌粥,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)即為
我們新增節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)塌忽; - 把新增節(jié)點(diǎn)放到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左邊或右邊為空的地方,并于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)建立父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系阁吝;
- 進(jìn)行著色和旋轉(zhuǎn)砚婆,結(jié)束。
//入?yún):key的hash值
final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V> tab,int h,K k,V v){
Class<?>kc=null;
boolean searched = false
//找到根節(jié)點(diǎn)
TreeNode<K,V>root=(parent!=null)?root():this;
//自旋
for(TreeNode<K,V>p=root;;){
int dir, ph; K pk;
//p hash值大于h,說明p在h的右邊
if((ph=p.hash)>h)
dir=-1;
//p hash值小于h,說明p在h的左邊
else if (ph < h)
dir = 1;
//要放進(jìn)去key在當(dāng)前樹中已經(jīng)存在了(equals來判斷)
else if ((pk=p.key)==kll(k!=null&&kequals(pk))
return p;
//自己實(shí)現(xiàn)的Comparable的話突勇,不能用hashcode比較了装盯,需要用compareTo
else if ((kc== null &&
//得到key的Class類型,如果key沒有實(shí)現(xiàn)Comparable就是null
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
if(!searched){
TreeNode<K,V> q, ch;
searched = true;
if (((ch = p.left) != null &&
(q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
((ch = p.right) != null &&
(q = ch.find(h, k, kc)) != null))
return q;
}
dir = tieBreakOrder(k, pk);
}
TreeNode<K,V> xp = p;
//找到和當(dāng)前hashcode值相近的節(jié)點(diǎn)(當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的左右子節(jié)點(diǎn)其中一個(gè)為空即可)
if((p=(dir<=0)?p.left:p.right)==null){
Node<K,V>xpn=xp.next
//生成新的節(jié)點(diǎn)
TreeNode<K,V>x=map.newTreeNode(h,k,v,xpn);
//把新節(jié)點(diǎn)放在當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)為空的位置上
if(dir<=0)
xp.left=X;
else
xp.right
//當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和新節(jié)點(diǎn)建立父子甲馋,前后關(guān)系
xp.next = X;
x.parent=x.prev=xp;
if(xpn!=null)
((TreeNode<K,V>)xpn).prev=X;
//balancelnsertion對紅黑樹進(jìn)行著色或旋轉(zhuǎn)埂奈,以達(dá)到更多的查找效率,著色或旋轉(zhuǎn)的幾種場
//著色:新節(jié)點(diǎn)總是為紅色定躏;如果新節(jié)點(diǎn)的父親是黑色账磺,則不需要重新著色;如果父親是紅色
//旋轉(zhuǎn):父親是紅色痊远,叔叔是黑色時(shí)垮抗,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是父親的右節(jié)點(diǎn),則進(jìn)行左旋
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是父親的左節(jié)點(diǎn)碧聪,則進(jìn)行右旋
//moveRootToFront方法是把算出來的root放到根節(jié)點(diǎn)上
moveRootToFront(tab,balancelnsertion(root,x);
return null;
}
}
}
紅黑樹的新增冒版,要求大家對紅黑樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有一定的了解。面試的時(shí)候逞姿,一般只會(huì)問到新增節(jié)
點(diǎn)到紅黑樹上大概是什么樣的一個(gè)過程辞嗡,著色和旋轉(zhuǎn)的細(xì)節(jié)不會(huì)問,因?yàn)楹茈y說清楚滞造,但我們要
清楚著色指的是給紅黑樹的節(jié)點(diǎn)著上紅色或黑色续室,旋轉(zhuǎn)是為了讓紅黑樹更加平衡,提高查詢的效
率谒养,總的來說都是為了滿足紅黑樹的5個(gè)原則:
- 節(jié)點(diǎn)是紅色或黑色
- 根是黑色
- 所有葉子都是黑色
- 從任一節(jié)點(diǎn)到其每個(gè)葉子的所有簡單路徑都包含相同數(shù)目的黑色節(jié)點(diǎn)
- 從每個(gè)葉子到根的所有路徑上不能有兩個(gè)連續(xù)的紅色節(jié)點(diǎn)
3 查找
HashMap的查找主要分為以下三步:
- 初始判斷挺狰,hash定位到具體的數(shù)組下標(biāo)的元素,判斷第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的key是否匹配,匹配則返回值她渴,若不匹配則步驟2
- 判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有無next節(jié)點(diǎn)达址,有的話判斷是鏈表類型,還是紅黑樹類型趁耗。
- 分別走鏈表和紅黑樹不同類型的查找方法沉唠。
鏈表查找的關(guān)鍵代碼是:
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
//初始判斷
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
//hash定位到數(shù)組下標(biāo)元素
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//看到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)key是否匹配,匹配則返回值
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//判斷有無next節(jié)點(diǎn)
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
//采用自旋方式從鏈表中查找key,e初始為為鏈表的頭節(jié)點(diǎn)
do {
//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)hash等于key的hash,并且equals相等苛败,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)就是我們要找的節(jié)點(diǎn)
//當(dāng)hash沖突時(shí)满葛,同一個(gè)hash值上是一個(gè)鏈表的時(shí)候,我們是通過equals方法來比較key是己
if(e.hash==hash&&
((k=e.key)==keyll(key!=null&&key.equals(k))))
return e;
//否則罢屈,把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)拿出來繼續(xù)尋找
} while ((e = e.next) != null)
}
}
return null;
}
紅黑樹查找的代碼很多嘀韧,我們大概說下思路,實(shí)際步驟比較復(fù)雜缠捌,可以去github上面去查看源
- 從根節(jié)點(diǎn)遞歸查找锄贷;
- 根據(jù)hashcode,比較查找節(jié)點(diǎn),左邊節(jié)點(diǎn)曼月,右邊節(jié)點(diǎn)之間的大小谊却,根本紅黑樹左小右大的特性進(jìn)行判斷;
- 判斷查找節(jié)點(diǎn)在第2步有無定位節(jié)點(diǎn)位置哑芹,有的話返回炎辨,沒有的話重復(fù)2,3兩步;
- 一直自旋到定位到節(jié)點(diǎn)位置為止 如果紅黑樹比較平衡的話聪姿,每次查找的次數(shù)就是樹的深度碴萧。
總結(jié)
HashMap的內(nèi)容雖然較多,但大多數(shù)api都只是對數(shù)組+鏈表+紅黑樹這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封
裝而已末购,本小節(jié)我們從新增和查找兩個(gè)角度進(jìn)行了源碼的深入分析破喻,分析了是如何對數(shù)組、鏈表
和紅黑樹進(jìn)行操作的