本文從 Hash 方法開始，通過分析源碼，深入介紹了 JDK 不同版本中 HashMap 的實(shí)現(xiàn)。

HashMap 簡介

HashMap 主要用來存放鍵值對，它基于哈希表的Map接口實(shí)現(xiàn)，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由 數(shù)組+鏈表 組成的，數(shù)組是 HashMap 的主體，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(shí)有了較大的變化，當(dāng)鏈表長度大于閾值（默認(rèn)為 8）時(shí)，將鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹，以減少搜索時(shí)間。

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(dòng)函數(shù)處理過后得到 hash 值，然后通過?(n - 1) & hash?判斷當(dāng)前元素存放的位置（這里的 n 指的是數(shù)組的長度），如果當(dāng)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，如果相同的話，直接覆蓋，不相同就通過拉鏈法解決沖突。

所謂擾動(dòng)函數(shù)指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是擾動(dòng)函數(shù)是為了防止一些實(shí)現(xiàn)比較差的 hashCode() 方法 換句話說使用擾動(dòng)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，但是原理不變。

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，空位都以0補(bǔ)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 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能會(huì)稍差一點(diǎn)點(diǎn)，因?yàn)楫吘箶_動(dòng)了 4 次。

所謂?“拉鏈法”?就是：將鏈表和數(shù)組相結(jié)合。也就是說創(chuàng)建一個(gè)鏈表數(shù)組，數(shù)組中每一格就是一個(gè)鏈表。若遇到哈希沖突，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，jdk1.8在解決哈希沖突時(shí)有了較大的變化，當(dāng)鏈表長度大于閾值（默認(rèn)為8）時(shí)，將鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹，以減少搜索時(shí)間。

類的屬性：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    // 序列號
    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
    // 默認(rèn)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(rèn)的填充因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    // 當(dāng)桶(bucket)上的結(jié)點(diǎn)數(shù)大于這個(gè)值時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)成紅黑樹
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
    // 當(dāng)桶(bucket)上的結(jié)點(diǎn)數(shù)小于這個(gè)值時(shí)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(yīng)的table的最小大小
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    // 存儲(chǔ)元素的數(shù)組，總是2的冪次倍
    transient Node<k,v>[] table; 
    // 存放具體元素的集
    transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
    // 存放元素的個(gè)數(shù)，注意這個(gè)不等于數(shù)組的長度。
    transient int size;
    // 每次擴(kuò)容和更改map結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)器
    transient int modCount;   
    // 臨界值 當(dāng)實(shí)際大小(容量*填充因子)超過臨界值時(shí)，會(huì)進(jìn)行擴(kuò)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，loadFactor越趨近于1，那么 數(shù)組中存放的數(shù)據(jù)(entry)也就越多，也就越密，也就是會(huì)讓鏈表的長度增加，load Factor越小，也就是趨近于0，

loadFactor太大導(dǎo)致查找元素效率低，太小導(dǎo)致數(shù)組的利用率低，存放的數(shù)據(jù)會(huì)很分散。loadFactor的默認(rèn)值為0.75f是官方給出的一個(gè)比較好的臨界值。

• threshold

threshold = capacity * loadFactor，當(dāng)Size>=threshold的時(shí)候，那么就要考慮對數(shù)組的擴(kuò)增了，也就是說，這個(gè)的意思就是?衡量數(shù)組是否需要擴(kuò)增的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

Node節(jié)點(diǎn)類源碼：

// 繼承自 Map.Entry<K,V>
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
       final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中時(shí)用來與其他元素hash值比較
       final K key;//鍵
       V value;//值
       // 指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
       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; }
        // 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(diǎn)類源碼：

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.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;           // 判斷顏色
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }
        // 返回根節(jié)點(diǎn)
        final TreeNode<K,V> root() {
            for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
                if ((p = r.parent) == null)
                    return r;
                r = p;
       }

HashMap源碼分析

構(gòu)造方法

// 默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)。
public More ...HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted
 }

 // 包含另一個(gè)“Map”的構(gòu)造函數(shù)
 public More ...HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
     putMapEntries(m, false);//下面會(huì)分析到這個(gè)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(Map<? extends 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(shí)際元素個(gè)數(shù)
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                    (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            // 計(jì)算得到的t大于閾值，則初始化閾值
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 已初始化，并且m元素個(gè)數(shù)大于閾值，進(jìn)行擴(kuò)容處理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 將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方法只是給put方法調(diào)用的一個(gè)方法，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。
• ②如果定位到的數(shù)組位置有元素就和要插入的 key 比較，如果key相同就直接覆蓋，如果 key 不相同，就判斷 p 是否是一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)，如果是就調(diào)用?e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)?將元素添加進(jìn)入。如果不是就遍歷鏈表插入。

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未初始化或者長度為0，進(jìn)行擴(kuò)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(gè)桶中，桶為空，新生成結(jié)點(diǎn)放入桶中(此時(shí)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)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<K,V> e; K k;
        // 比較桶中第一個(gè)元素(數(shù)組中的結(jié)點(diǎn))的hash值相等，key相等
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 將第一個(gè)元素賦值給e，用e來記錄
                e = p;
        // hash值不相等，即key不相等；為紅黑樹結(jié)點(diǎn)
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入樹中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 為鏈表結(jié)點(diǎn)
        else {
            // 在鏈表最末插入結(jié)點(diǎn)
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 到達(dá)鏈表的尾部
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 在尾部插入新結(jié)點(diǎn)
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 結(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到閾值，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(diǎn)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，跳出循環(huán)
                    break;
                // 用于遍歷桶中的鏈表，與前面的e = p.next組合，可以遍歷鏈表
                p = e;
            }
        }
        // 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結(jié)點(diǎn)
        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(shí)際大小大于閾值則擴(kuò)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，遍歷以這個(gè)元素為頭結(jié)點(diǎn)的鏈表，依次和插入的key比較，如果key相同就直接覆蓋，不同就采用頭插法插入元素。

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<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) {
        // 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(gè)節(jié)點(diǎn)
        if ((e = first.next) != null) {
            // 在樹中g(shù)et
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)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(jìn)行擴(kuò)容，會(huì)伴隨著一次重新hash分配，并且會(huì)遍歷hash表中所有的元素，是非常耗時(shí)的。在編寫程序中，要盡量避免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) {
        // 超過最大值就不再擴(kuò)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，就擴(kuò)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(jì)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) {
        // 把每個(gè)bucket都移動(dòng)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<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<String, String> map = new HashMap<String, String>();
        // 鍵不能重復(fù)，值可以重復(fù)
        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(shí)得到key所對應(yīng)的值
        System.out.println("-------得到key的值的同時(shí)得到key所對應(yīng)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(dāng)我調(diào)用put(key,value)方法的時(shí)候，首先會(huì)把key和value封裝到
        // Entry這個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類對象中，把Entry對象再添加到數(shù)組中，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，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<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);
    }

}

標(biāo)簽： 代碼 搜索

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