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Java HashMap源码分析

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 3个月前 (01-08) 85次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码


本文从 Hash 方法开始,通过分析源码,深入介绍了 JDK 不同版本中 HashMap 的实现。

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。

staticfinalinthash(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。

staticinthash(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。

JDK1.8之后

相比于之前的版本,JDK 1.8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。

类的属性

publicclassHashMap<K,V> extendsAbstractMap<K,V> implementsMap<K,V>, Cloneable, Serializable{
   // 序列号
   privatestaticfinallong serialVersionUID = 362498820763181265L;    
   // 默认的初始容量是16
   staticfinalint DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;  
   // 最大容量
   staticfinalint MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
   // 默认的填充因子
   staticfinalfloat 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
   staticfinalint TREEIFY_THRESHOLD = 8;
   // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
   staticfinalint UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
   // 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
   staticfinalint 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。
   transientint size;
   // 每次扩容和更改map结构的计数器
   transientint 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
   finalfloat loadFactor;
}

loadFactor加载因子

loadFactor加载因子是控制数组存放数据的疏密程度,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>
staticclassNode<K,V> implementsMap.Entry<K,V> {
      finalint 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;
       }
       publicfinal K getKey()        { return key; }
       publicfinal V getValue()      { return value; }
       publicfinal String toString(){ return key + “=” + value; }
       // 重写hashCode()方法
       publicfinalinthashCode(){
           return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
       }

       publicfinal V setValue(V newValue){
           V oldValue = value;
           value = newValue;
           return oldValue;
       }
       // 重写 equals() 方法
       publicfinalbooleanequals(Object o){
           if (o == this)
               returntrue;
           if (o instanceof Map.Entry) {
               Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
               if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                   Objects.equals(value, e.getValue()))
                   returntrue;
           }
           returnfalse;
       }

}


树节点类源码

staticfinalclassTreeNode<K,V> extendsLinkedHashMap.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。
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)
        thrownew IllegalArgumentException(“Illegal initial capacity: “ + initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        thrownew IllegalArgumentException(“Illegal load factor: “ + loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

putMapEntries方法

finalvoidputMapEntries(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
       elseif (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:

  • 如果定位到的数组位置没有元素就直接插入。
  • 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。


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
       elseif (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);
   returnnull;
}

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:

  • 如果定位到的数组位置没有元素就直接插入。
  • 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
   returnnull;

}

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);
       }
   }
   returnnull;
}

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
       elseif ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
           newThr = oldThr << 1; // double threshold
   }
   elseif (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;
               elseif (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;

publicclassHashMapDemo{

   publicstaticvoidmain(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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