Java集合系列---HashMap源碼解析(超詳細)

1 HashMap

1）特性：

底層數據結構是數組+鏈表+紅黑樹運行null鍵和null值,，非線程安全，不保證有序，插入和讀取順序不保證一致，不保證有序，在擴容時，元素的順序會被重新打亂
實現原理：
Hashmap先採用算法將key散列爲一個int值，這個int值對應到數組的下標，如果散列值相同，則在該下標後連接鏈表，如果鏈表長度超過8，則構造紅黑樹,

2）基本屬性：

//默認初始化大小
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16、、就是2的四次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容器
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//默認加載因子
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//這個值是從鏈表變成紅黑樹的閥門，如果大於這個值就會轉變
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;// 紅黑樹節點小於6的時候轉鏈表
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;//轉換爲紅黑樹之前還得判斷數組的容量是否大於64
 transient Node<K,V>[] table;//存放數據的·1底層數組
 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;//通過entrySet變量，提供遍歷的功能
 transient int size;//數組table的實際大小
 transient int modCount;//操作次數
 int threshold;//判斷是否需要調整HashMap,如果table數組還沒被分配時，閾值threshold等於數組的數組容量，反之threshold = capacity * load factor
 final float loadFactor;//負載因子

Node的屬性

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;
        }
 }

(1)hash：表示key的hash
(2)key:表示我們給出的key,就是map(key,value)中的key
(3)value:表示我們給出的value，就是map(key,value)中的value
(4)next：如果hash相同，會形成鏈表，當前鏈表節點的下一個鏈表的引用，即鏈表後繼
如果鏈表長度大於8，爲了查詢性能，會把鏈表轉爲紅黑樹（TreeNode）

 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }
 }

(1)parent:表示節點的父節點
(2)left:表示左節點
(3)right:表示右節點
(4)prev:表示前驅節點
(5)red：表示是紅樹還是黑樹

3)構造方法

public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
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))//小於0或者爲空
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;//負載因子 
        //返回2的n次方 》=initialCapacity
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);//
    }
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    } 

4）核心方法

1 put方法

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
//獲取key的hash值
static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); //注意當key爲null是會返回0，hashmap允許key爲null進行存儲，且存在table[0]的位置。另外會對獲取的hashcode進行高低16位按位與，減小hash衝突的概率
}
 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//table是底層數組，判斷table是否爲空或者null
            n = (tab = resize()).length;// 成立用resize()擴容
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//計算插入的元素在hash桶中的位置，若該位置還沒有元素
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);//插入
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&//判斷該位置的第一個元素是否與我們要插入的元素相同
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;//如果相同則記錄該節點到變量e
            else if (p instanceof TreeNode)//否則判斷第一個節點是否爲樹類型的節點
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//如果是，則調用樹類型的插入操作
            else {//否則，第一個元素既不與我們要插入的節點相同，又不是樹類型的節點，那麼去遍歷鏈表
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {//若節點爲空則表示已經遍歷到鏈表的最後，此時新建一個節點並加入到末尾
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st//判斷鏈表的長度是否大於8
                            treeifyBin(tab, hash);　//將鏈表轉爲紅黑樹
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&//如果某個節點與我們即將插入的節點相同，則跳出循環
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key//此時e節點中記錄的是hashMap中與我們要插入的節點相同的節點，在這裏統一進行處理
                V oldValue = e.value;//記錄舊的value值
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)//通過onlyIfAbsent與oldValue的值判斷是否要進行覆蓋
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;//返回舊的值
            }
        }
        ++modCount;//代表hashMap的結構被改變
        if (++size > threshold)//判斷是否要進行擴容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

擴容函數

final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;//記錄原來的table
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//判斷原來的table是否爲空，若爲空則oldCap = 0,否則oldCap = oldTab.length
        int oldThr = threshold;//記錄原來的闕值
        int newCap, newThr = 0;//創建變量用來記錄新的容量和闕值
        if (oldCap > 0) {//判斷原來的容量是否大於0，由於HashMap是在第一次put是纔會進行初始化，因此此方法也是判斷table是要擴容還是要初始化.大於0代表已經初始化過了
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//如果原來的容量大於0且大於等於最大值
                threshold = Integer.MAX_VALUE;//將闕值設爲最大值，並返回原來的容量，代表該table已經不能再進行擴容
                return oldTab;
            }
            //原來的容量乘以2
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold//新的界限爲原來界限的一倍
        }
        //如果說oldCap爲0(代表hashMap沒有被初始化過)且原來的闕值大於0
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
            //否則說明我們在新建hashMap是沒有指定初始值或是我們將初始大小設爲了0
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//設爲默認值16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//闕值設爲16*0.75
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;//設置當前的闕值爲新的闕值
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];//以新的容量去新建一個table數組
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {//若原來的table是否爲空，代表現在是要進行擴容操作
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//遍歷hash桶
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {//遍歷每一個hash桶中的元素，並記錄第一個節點到變量e
                    oldTab[j] = null;//將原來的位置設爲null
                    if (e.next == null)//如果只有一個元素
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//計算新的位置，並插入
                    else if (e instanceof TreeNode)//如果是樹節點，則轉爲紅黑樹的擴容操作
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;//將每一個桶中的元素分爲兩類，擴容後的位置與原來相同則記錄到loHead,loTail這個鏈表中，擴容後與原來的位置不同則記錄到hiHead,hiTail中
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            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;//將loHead鏈表寫入到新的table
                        }
                        if (hiTail != null) {//將hiHead鏈表記錄到新的table
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

刪除方法

 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;
        //找到要刪除的元素存在p所在的下標
        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;
            //hash沒有衝突
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //定位刪除的節點
                node = p;
                //不止是一個節點在該位置上
            else if ((e = p.next) != null) {
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    do { //遍歷鏈表
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            //node要刪除的元素
            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的下一個元素等於要刪除的元素的下一個
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

使用迭代器對數組進行遍歷，中間不能對map進行操作

final Node<K,V> nextNode() {
            Node<K,V>[] t;
            Node<K,V> e = next;
            //修改次數不等於最後一次修改次數的話就會報錯
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
                do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);//尋找數組中不爲空的節點進行遍歷
            }
            return e;
        }