HashMap原始碼閱讀
阿新 • • 發佈：2020-09-11
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HashMap在JDK 1.7的時候，底層的實現機制是陣列+連結串列，利用連結串列來解決雜湊衝突。連結串列的查詢複雜度是
O(n)，如果連結串列很長的話，查詢的時間是比較大的，所以在JDK 1.8對HashMap做了優化，其底層的實現機制變成了陣列+連結串列+紅黑樹。當連結串列的長度超過某個閾值，就會把連結串列變形成紅黑樹，紅黑樹的查詢複雜度是O(log n)，這樣在元素很多的情況下可以保證查詢效能。另外，HashMap是執行緒不安全的，主要體現在（1）JDK 1.7的實現版本，多個執行緒同時觸發擴容機制的時候，可能會導致出現連結串列節點迴圈引用的現象，從而導致查詢的時候出現死迴圈。（2）JDK 1.8中put放置元素的時候可能會出現資料丟失的情況。想要解決HashMap執行緒不安全，可以使用JUC包下的
concurrentHashMapCollections.synchronizedMap()返回一個執行緒安全的map。
1、關鍵的幾個static引數
//初始容量：2的4次方 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 //最大容量：2的30次方 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //裝載因子0.75，設定為0.75是在查詢時間和空間利用上做的平衡 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //樹化閾值 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; //非樹化閾值 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //最小的樹化容量 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
2、內部類定義Node節點
//內部類，定義Node節點,key-value static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash;//final final K key; //final V value; Node<K,V> next; //指向下一個節點 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; } //計算當前節點的hashcode，key的hashcode和value的hashcode做異或操作 public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); } public final V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue; return oldValue; } //equals方法,指標相等 || key和value都相等 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; } }
3、成員變數
//transient 不能序列化 ，陣列存放Node節點，這個就是hashmap底層的陣列
transient Node<K,V>[] table;
//entrySet集合
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//hashmap中元素的個數
transient int size;
//修改次數
transient int modCount;
int threshold; //擴容閾值
//裝載因子
final float loadFactor;
4、靜態方法
//計算hash值，>>>無符號右移運算，用key的hashcode值和右移十六位的hashcode值做運算
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
//對於給定的目標容量，返回兩倍大小的冪。
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;
}
5、HashMap的四個構造方法
//指定初始容量和裝填因子
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;
//擴容閾值用靜態方法tableSizeFor()計算得到
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//指定初始容量，裝填因子採用預設值0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//無參構造方法，初始容量和裝填因子均採用預設值，16和0.75
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
//利用一個Map構造HashMap
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
注意到HashMap的最後一個構造方法，利用了一個Map來構造HashMap，其中呼叫了putMapEntries()方法。注意到putMapEntries()最後呼叫了putVal()方法，putVal()方法在put操作部分進行介紹。
//把一個Map中元素批量新增到當前的HashMap中
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
//s是另一個Map大小
int s = m.size();
//如果另一個map不為空
if (s > 0) {
//如果當前的hashmap為空,就就根據map m的引數計算當前hashmap的擴容閾值
if (table == null) { // pre-size
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
//map m的大小超過了當前hashmap的擴容閾值，則進行擴容
else if (s > threshold)
resize();
//對map m中的每一對key-value，都呼叫putVal函式將其放入到當前的hashMap中
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
//放置元素到當前的HashMap中
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
6、put方法
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
//第四個引數是，只有當key對應的位置為空的時候，才進行替換，一般設定為false
//第五個引數如果是false，表示是在第一次放置+初始化陣列容量的時候呼叫。
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陣列為空，則進行第一次resize,擴容到初始容量
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果key在陣列中對映的位置上的元素為空，沒有產生雜湊衝突，則直接放置
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//如果key值相同，則直接覆蓋
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果key值不同，則產生了雜湊衝突，需要解決衝突
else if (p instanceof TreeNode)//如果當前是個樹節點，則需要往樹上放置元素
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//是個連結串列
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//如果走到連結串列的末尾，則直接新建一個節點，插入到連結串列末尾
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//判斷需不需要進行變形，把連結串列變成紅黑樹，提高查詢效率
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//如果當前的key值和連結串列上的某個key值相同
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
//指標移動
p = e;
}
}
//如果迴圈結束後，e不等於null，則e的value值需要被替換成新的value值
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
//HashMap的這個函式是空的，LinkedHashMap繼承HashMap重寫了這個方法，用來實現插入有序，或者LRU訪問
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//修改數++
++modCount;
//如果當前陣列的容量超過了擴容的閾值，則進行擴容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
下面的圖總結了put操作的邏輯，一圖勝千言（圖片來源：美團技術團隊）
7、擴容resize方法
//擴容函式
final Node<K,V>[] resize() {
//舊錶
Node<K,V>[] oldTab = table;
//判斷是否是第一次擴容
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//舊錶的擴容閾值
int oldThr = threshold;
//初始化新表的容量和新表的擴容閾值
int newCap, newThr = 0;
//如果舊錶的容量大於0，則不是第一次擴容，那麼新表的容量就設定為舊錶的2倍。新表的擴容閾值也是舊錶的擴容閾值的2倍。
if (oldCap > 0) {
//如果舊錶的容量已經大於等於最大容量，則不再進行擴容，直接返回舊錶
//此時依然可以裝新的元素，只不過map陣列的容量不再發生變化
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//新容量擴大為原來的2倍，新的擴容閾值也擴大為舊的擴容閾值的2倍。
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//如果舊錶的容量等於0，oldThr>0意味著指定了構造因子，並初始了擴容閾值
//此時將新表容量直接賦值為舊錶的擴容閾值
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
//如果舊錶容量=0，舊錶擴容閾值=0
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
//如果新的庫容閾值為0，對應的是舊錶為0的情況
if (newThr == 0) {
//計算新的擴容閾值
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
//更新全域性的擴容閾值
threshold = newThr;
//建立一個新的陣列
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
//舊錶不為空的情況下，需要把舊錶中的每個元素都重新插入到新表中
if (oldTab != null) {
//遍歷舊錶陣列的每個元素
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
//如果陣列不為空
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//首先釋放舊錶的空間
oldTab[j] = null;
//如果是單個元素，則直接放入新表，注意位置的計算是hash和新表長度的&運算
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//如果當前元素是個樹節點,，則需要確定樹節點在新表中的位置
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
//如果當前元素是連結串列節點，
else { // preserve order
//因為新表容量是翻倍，則原連結串列上的節點分成兩部分
//要麼放在原來的下標的位置，要麼在新表的下標位置
//低位連結串列（原來的下標）的頭結點和尾節點
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
//高位連結串列（新計算出來的下標）的頭結點和尾節點
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//元素放在低位連結串列上
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//元素放在高位連結串列上
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
//放置舊錶
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
//放置新表
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
//注意，高位連結串列的位置，是j+oldCap，也就是原來的下標+一箇舊表大小的偏移量
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
8、get方法
//根據key值獲取
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;
//table陣列不為空,且length>0，且hash值和陣列長度做&運算得到的那個bucket不為空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//如果是第一個節點，則直接返回第一個節點
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//開始找下一個節點
if ((e = first.next) != null) {
//如果下一個節點是紅黑樹節點
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); //則開始在樹上找節點
do {
//如果是連結串列節點，一直遍歷連結串列，知道找到。
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
//否則直接返回空
return null;
}
9、remove操作
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
//看過put方法，removeNode方法的邏輯就非常簡單
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;
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;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
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;
}
10、參考連結
搞懂java HashMap原始碼
HashMap的負載因子初始值為什麼是0.75?
JDK1.7和JDK1.8中HashMap為什麼是執行緒不安全的?