JAVA集合框架(一):HashMap
阿新 • • 發佈：2018-12-19
參考資料：
HashMap是以Key-Value方式儲存資料，Key用雜湊函式對映到table陣列（散列表），解決衝突的方法是分離連結法。即HashMap的資料結構是：陣列+連結串列+紅黑樹（java8增加了紅黑樹），其結構圖如下：
一、類的定義
HashMap繼承抽象類AbstractMap，實現了Map介面。抽象類AbstractMap實現了介面Map的部分方法，這樣子類就可以通過繼承而共用這些方法，而無須再次實現了。
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{}
二、儲存結構
從上面的分析，我們知道HashMap的基本儲存單元是Node<K,V>，它儲存一個Key-Value。每個Node通過雜湊函式對映到雜湊桶陣列，在原始碼中用Node<K,V>[] table表示雜湊桶陣列。下面來看看Node的原始碼（本文原始碼都是基於java8）：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; //用來定位陣列索引位置 final K key; V value; Node<K,V> next; //連結串列的下一個node Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { ... } public final K getKey(){ ... } public final V getValue() { ... } public final String toString() { ... } public final int hashCode() { ... } public final V setValue(V newValue) { ... } public final boolean equals(Object o) { ... } }
三、建構函式
建構函式需要對下面幾個引數初始化（部分使用預設的）
Node<K,V>[] table; // 雜湊桶陣列
int threshold;// 所能容納的key-value對極限，大於這個閥值將會進行擴容
final float loadFactor; // 負載因子
int modCount; // 記錄修改的次數
int size; // key-value對的個數1.無參構造器
負載因子決定雜湊桶陣列的疏密程度，太疏會造成空間浪費，太密容易形成雜湊衝突，一般使用預設的。
public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 初始化預設負載因子為0.75 }
2.指定雜湊桶陣列初始容量構造器
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);// 呼叫兩個引數的構造器
}3.指定雜湊桶陣列初始容量和負載因子構造器
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 小於0或者不是數字時丟擲異常
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);//確保閥值為大於給定初始容量的最小2的n次冪，比如給定初始容量為9，則閥值為16（2的4次冪），給定為25，則為32（2的5次冪）
}四、儲存實現
1.put方法
public V put(K key, V value) {
// 對key的hashCode()做hash
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;
// tab為空則建立
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 通過hash計算陣列index，如果index位置沒有元素則直接插入Node物件
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
// index對應位置已經有元素了，說明hash碰撞了，則需要構建連結串列或者紅黑樹
else {
Node<K,V> e; K k;
// hash和key都相等，可以當成是同一個物件，這時要麼覆蓋原來的value，要麼繼續使用原來的value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// index位置已經有紅黑樹了，加入新的節點
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 在index位置構建連結串列
else {
// 遍歷連結串列，把新的節點加入到表尾部
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 當連結串列長度大於等於8時，轉換成紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 連結串列中有相同的hash和key，退出遍歷
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 連結串列或者紅黑樹中存在相同的key，判斷要不要覆蓋
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
// 該函式提供給LinkedHashMap使用，維護了一個訪問連結串列
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// 修改數加1，為多執行緒遍歷提供fast-fail機制
++modCount;
// 判斷是否需要擴容
if (++size > threshold)
resize();
// java8中該方法基本空操作
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}2.get方法
get操作其實就是通過雜湊值算出節點所在table陣列的位置，然後判斷是連結串列還是紅黑樹或者是剛好是要找的值
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
// 這純粹是一個數學方法，>>>表示符號向右移動，假如有符號位-8表示為11000，則-8 >>> 2 == 5,把符號位也當成了數值
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 通過hash值計算index位置
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 如果第一個節點剛好是要查詢的則返回
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 連結串列或者紅黑樹
if ((e = first.next) != null) {
// 紅黑樹中查詢
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 遍歷連結串列查詢
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}五、遍歷實現
遍歷操作在內部抽象類HashIterator中實現，其實也是通過迭代器完成的，使用fast-fail機制保證遍歷時map不會改變。遍歷的迭代器會繼承HashIterator。
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> es;
return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
}
abstract class HashIterator {
Node<K,V> next; // next entry to return
Node<K,V> current; // current entry
int expectedModCount; // for fast-fail
int index; // current slot
// 初始化引數
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
Node<K,V>[] t = table;
current = next = null;
index = 0;
// index從第一個不為null的地方開始
if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
// 這個方法會被迭代器next（）方法呼叫
final Node<K,V> nextNode() {
Node<K,V>[] t;
Node<K,V> e = next;
// fast-fail判斷，避免遍歷的時候map有發生改變
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
// 判讀當前index位置是否還有下一個節點，就把下一個節點放到next，否則遍歷table陣列
if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
return e;
}
}六、擴容機制
java8對HashMap的擴容做了優化，不用重新計算每個node在table陣列的位置，原有的node要麼在原來的index位置，要麼在index+擴容前容量對應的位置
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) {
// 當容量大於（1 << 30== 1073741824），讓閾值等於最大整數，不再擴容，就讓它碰撞吧
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 閾值擴大為原來的兩倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 有初始化閾值則新容量等於閾值
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
// 使用預設的閾值和容量
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
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];
// 對雜湊桶重新賦值
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 遍歷舊table陣列的元素到新的table陣列
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 在j處只有一個節點
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
// 在j處是紅黑樹
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 這裡用了比較巧妙的方法，如果元素的hash值跟舊table陣列的容量做按位與操作等於0，
// 則在新table陣列中元素還是對映到相同的index位置。
// 否則對映到j+oldCap位置。這樣一來就不用重新計算每個節點的位置了，在java6，java7中需要rehash到新的位置。
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 這裡構造一個連結串列
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}七、總結
至此總算把HashMap的基本原理搞清楚了，通過原始碼對HashMap可以總結出以下幾點：
- 雜湊桶的預設初始容量為16，最大為1<<30 = 1073741824，當大於這個值時不再擴容。
- 如果可以預先知道儲存元素的數量，最好在初始化HashMap的時候指定初始容量，這樣就可以避免擴容帶來的效能消耗。
- Java8對HashMap做了優化，增加了紅黑樹，如果hash碰撞較多時，其搜尋效能明顯優於連結串列。
鑑於筆者水平有限，以上表述中如有不足之處，請大家點評和修正！