HashMap 源碼剖析
- 如果你是要面對面試，可以直接去看下基本概念與總結
1.hashmap的基本概念
- hash的基本概念：把一個任意長度的基本輸入，通過一系列的hash算法映射成一個固定長度的輸出。有時候兩個不同的輸入，映射出一個相同的輸出，這種情況唄稱爲hash衝突。
- hashmap的存儲結構按JDK8來說是：數組+鏈表+紅黑樹構成的。
- hashmap的每一個存儲單元稱爲一個node結構。node中包含了：
key字段：map中key的字段
value字段：map中value的字段
next字段：當發生hash衝突的時候，當前桶中的node與發生衝突的node形成編標要用到的字段
hash字段：存儲key的hash值，但是要經過一次擾動
2.hashmap類
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
}
3.hashmap基本屬性
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;//序列化版本號
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 初始化長度爲16，切必須是2的N次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大的容量爲2^30，一般用於自定義初始化容量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//默認負載因子
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//數組單個單元要轉化爲紅黑樹節點的閾值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;//反樹化時，節點的閾值
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;//樹化時數組長度的閾值
4.hashmap Node屬性
//hashmap中節點的基本屬性，實現get，set方法。重寫了hashCode、toString、equals方法。 屬性在上文有介紹
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
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; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
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;
}
}
//擾動函數，用於計算hash值，在之後專門專題講解。
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
//在發送hash衝突的時候。用於比較兩個node。
static Class<?> comparableClassFor(Object x) {
if (x instanceof Comparable) {
Class<?> c; Type[] ts, as; Type t; ParameterizedType p;
if ((c = x.getClass()) == String.class) // bypass checks
return c;
if ((ts = c.getGenericInterfaces()) != null) {
for (int i = 0; i < ts.length; ++i) {
if (((t = ts[i]) instanceof ParameterizedType) &&
((p = (ParameterizedType)t).getRawType() ==
Comparable.class) &&
(as = p.getActualTypeArguments()) != null &&
as.length == 1 && as[0] == c) // type arg is c
return c;
}
}
}
return null;
}
static int compareComparables(Class<?> kc, Object k, Object x) {
return (x == null || x.getClass() != kc ? 0 :
((Comparable)k).compareTo(x));
}
5.hashmap 構造器原理與字段
//用於尋找大於或等於capacity的最小2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;
}
// 字段
transient Node<K,V>[] table; //hashMap數組的表示
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; //entry節點
transient int size; //數組長度
transient int modCount; //添加的元素個數
int threshold; //合理的初始化數組長度，根據tableSizeFor()得到，用於手動設置時使用
final float loadFactor; //負載因子，用於手動設置時使用
// 構造器
//構造器一：定義Node[]數組初始長度，與負載因子
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);
//手動設定負載因子
this.loadFactor = loadFactor;
//自動設置合適的數組長度
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//構造器二：定義Node[]數組初始長度，默認負載因子
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//構造器三：僅創建HashMap對象，並初始化負債因子爲0.75f
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
//構造器四：轉化hashmap的父類
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//這個方法爲，將map中所有數據插入到hashmap中，此文不再描述
putMapEntries(m, false);
}
6.hashmap樹節點(簡要分析)
hashmap樹節點比較複雜，之後做專門的分析
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // 父節點
TreeNode<K,V> left; //左節點
TreeNode<K,V> right;//右節點
TreeNode<K,V> prev; // 記錄上一個節點
boolean red;//節點紅黑判斷
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
7.hashmap get方法
//調用的GET方法
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
//實際執行的GET方法
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab;
Node<K,V> first, e;
int n; K k;
// table不爲空 && table長度大於0 && table索引位置(根據hash值計算出)節點不爲空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// first的key等於傳入的key則返回first對象
if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//first的key不等於傳入的key則說明是鏈表，向下遍歷
if ((e = first.next) != null) {
// 判斷是否爲TreeNode，是則爲紅黑樹
// 如果是紅黑樹節點，則調用紅黑樹的查找目標節點方法getTreeNode
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
//走下列步驟表示是鏈表，循環至節點的key與傳入的key值相等
do {
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
//找不到符合的返回空
return null;
}
7.hashmap put方法
//掉用的PUT方法，hash(key)調用本例中的hash()方法
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* 實際執行的PUT方法
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
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是否爲空或者length等於0, 如果是則調用resize方法進行初始化
// table是一個 （Node<K,V>[] table;） Node類型的數組
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 通過hash值計算索引位置, 如果table表該索引位置節點爲空則新增一個
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 將索引位置的頭節點賦值給p
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else { // table表該索引位置不爲空
Node<K,V> e; K k;
//判斷p節點的hash值和key值是否跟傳入的hash值和key值相等
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p; // 如果相等, 則p節點即爲要查找的目標節點，賦值給e
// 判斷p節點是否爲TreeNode, 如果是則調用紅黑樹的putTreeVal方法查找目標節點
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
// 走到這代表p節點爲普通鏈表節點
else {
// 遍歷此鏈表, binCount用於統計節點數
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//p.next爲空代表目標節點不存在
if ((e = p.next) == null) {
//新增一個節點插入鏈表尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果節點數目超過8個，調用treeifyBin方法將該鏈表轉換爲紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//e節點的hash值和key值都與傳入的相等, 則e即爲目標節點,跳出循環
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// e不爲空則代表根據傳入的hash值和key值查找到了節點,將該節點的value覆蓋,返回oldValue
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e); // 用於LinkedHashMap
return oldValue;
}
}
//map修改次數加1
++modCount;
//map節點數加1，如果超過閥值，則擴容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict); // 用於LinkedHashMap
return null;
}
8.hashmap resize()方法
final Node<K,V>[] resize() {
//oldTab保存未擴容的tab
Node<K,V>[] oldTab = table;
//oldTab最大容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//oldTab閥值
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//如果老map有值
if (oldCap > 0) {
// 老table的容量超過最大容量值，設置閾值爲Integer.MAX_VALUE，返回老表
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
//老table的容量沒有超過最大容量值，將新容量賦值爲老容量*2，如果新容量<最大容量並且老容量>=16, 則將新閾值設置爲原來的兩倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}else if (oldThr > 0){ // 老表的容量爲0, 老表的閾值大於0, 是因爲初始容量被放入閾值
newCap = oldThr; // 則將新表的容量設置爲老表的閾值
//放第一個值時，對數組容量及閾值進行初始化。
}else { //老表的容量爲0, 老表的閾值爲0, 則爲空表，設置默認容量和閾值
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //16
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); //12
}
// 如果新閾值爲空, 則通過新的容量*負載因子獲得新閾值
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
// 將當前閾值賦值爲剛計算出來的新的閾值
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
//初始化數組對象
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
//將當前的表賦值爲新定義的表
table = newTab;
// 如果老表不爲空, 則需遍歷將節點賦值給新表
if (oldTab != null) {
//通過循環將老數組重新賦值給新數組
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) { // 將索引值爲j的老表頭節點賦值給e
oldTab[j] = null; //將老表的節點設置爲空, 以便垃圾收集器回收空間
// 如果e.next爲空, 則代表老表的該位置只有1個節點,
// 通過hash值計算新表的索引位置, 直接將該節點放在該位置
if (e.next == null) //
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//e.next不爲空,判斷是否是紅黑樹
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
//是普通鏈表
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;
//如果e的hash值與老表的容量進行與運算爲0,則擴容後的索引位置跟老表的索引位置一樣
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//如果e的hash值與老表的容量進行與運算爲1,則擴容後的索引位置爲:
// 老表的索引位置＋oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null; // 最後一個節點的next設爲空
newTab[j] = loHead; // 將原索引位置的節點設置爲對應的頭結點
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null; // 最後一個節點的next設爲空
newTab[j + oldCap] = hiHead; // 將索引位置爲原索引+oldCap的節點設置爲對應的頭結點
}
}
}
}
}
return newTab;
}
9.hashmap remove()方法
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
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;
// 如果table不爲空並且根據hash值計算出來的索引位置不爲空, 將該位置的節點賦值給p
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;
// 如果p的hash值和key都與入參的相同, 則p即爲目標節點, 賦值給node
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) { // 否則向下遍歷節點
if (p instanceof TreeNode) // 如果p是TreeNode則調用紅黑樹的方法查找節點
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
do { // 遍歷鏈表查找符合條件的節點
// 當節點的hash值和key與傳入的相同,則該節點即爲目標節點
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e; // 賦值給node, 並跳出循環
break;
}
p = e; // p節點賦值爲本次結束的e
} while ((e = e.next) != null); // 指向像一個節點
}
}
// 如果node不爲空(即根據傳入key和hash值查找到目標節點)，則進行移除操作
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof TreeNode) // 如果是TreeNode則調用紅黑樹的移除方法
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
// 走到這代表節點是普通鏈表節點
// 如果node是該索引位置的頭結點則直接將該索引位置的值賦值爲node的next節點
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
// 否則將node的上一個節點的next屬性設置爲node的next節點,
// 即將node節點移除, 將node的上下節點進行關聯(鏈表的移除)
else
p.next = node.next;
++modCount; // 修改次數+1
--size; // table的總節點數-1
afterNodeRemoval(node); // 供LinkedHashMap使用
return node; // 返回被移除的節點
}
}
return null;
}
總結篇
- 在JDK8 HashMap使用的是懶加載模式，也就是說，在默認初始化hashmap的時候，並不會在內存中創建一個長度爲16的數組。而是在第一次put數據的時候纔會創建。
- 負載因子的作用：默認負載因子爲0.75.也就是說，hashmap在put數據的時候，發現數組中75%的index中都有了數據，就會進行一次擴容。每一次擴容大小均爲2^n。(默認情況下，首次初始化數組長度爲16，那麼擴容閾值就位12)
- 鏈表轉化爲紅黑樹的條件：1.單個index中的鏈表長度超過8。 2.當前散列表長度打到64。
- put算法：
1、對比hash值。如果節點已經存在，則更新原值。
2、如果節點不存在，則插入數組中，如果數組已經有值，則判斷是否是紅黑樹，如果是，則調用紅黑樹方法插入
3、如果插入的是鏈表，插入尾部，然後判斷節點數是否超過8，如果超過，則轉換爲紅黑樹
4、先插入的數據，後面判斷是否超過閥值再進行的擴容