HashMap(JDK1.8)源码学习

HashMap 简介

HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的Map接口实现，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由 数组+链表 组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）.JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

底层数据结构分析

JDK1.8之前

JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在一起使用也就是 链表散列。HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:

JDK 1.8 的 hash方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。

  1. static final int hash(Object key) {
  2.         int h;
  3.         // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode
  4.         // ^ ：按位异或
  5.         // >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐
  6.         return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
  7. }

对比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源码.

  1. static int hash(int h) {
  2.     // This function ensures that hashCodes that differ only by
  3.     // constant multiples at each bit position have a bounded
  4.     // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
  6.     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
  7.     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
  8. }

相比于 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。

所谓 “拉链法” 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

jdk1.8之前的内部结构

JDK1.8之后

相比于之前的版本，jdk1.8在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

JDK1.8之后的HashMap底层数据结构

类的属性：

  1. public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
  2.     // 序列号
  3.     private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
  4.     // 默认的初始容量是16
  5.     static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
  6.     // 最大容量
  7.     static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
  8.     // 默认的填充因子
  9.     static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
  10.     // 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树
  11.     static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
  12.     // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
  13.     static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
  14.     // 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
  15.     static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
  16.     // 存储元素的数组，总是2的幂次倍
  17.     transient Node<k,v>[] table; 
  18.     // 存放具体元素的集
  19.     transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
  20.     // 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。
  21.     transient int size;
  22.     // 每次扩容和更改map结构的计数器
  23.     transient int modCount;   
  24.     // 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容
  25.     int threshold;
  26.     // 加载因子
  27.     final float loadFactor;
  28. }

  • loadFactor加载因子

    loadFactor加载因子是控制数组存放数据的疏密程度，loadFactor越趋近于1，那么 数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，loadFactor越小，也就是趋近于0，数组中存放的数据(entry)也就越少，也就越稀疏。

    loadFactor太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor的默认值为0.75f是官方给出的一个比较好的临界值。

    给定的默认容量为 16，负载因子为 0.75。Map 在使用过程中不断的往里面存放数据，当数量达到了 16 * 0.75 = 12 就需要将当前 16 的容量进行扩容，而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作，所以非常消耗性能。

  • threshold

    threshold = capacity * loadFactor，当Size>=threshold的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 衡量数组是否需要扩增的一个标准。

Node节点类源码:

  1. // 继承自 Map.Entry<K,V>
  2. static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  3.        final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中时用来与其他元素hash值比较
  4.        final K key;//键
  5.        V value;//值
  6.        // 指向下一个节点
  7.        Node<K,V> next;
  8.        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
  9.             this.hash = hash;
  10.             this.key = key;
  11.             this.value = value;
  12.             this.next = next;
  13.         }
  14.         public final K getKey()        { return key; }
  15.         public final V getValue()      { return value; }
  16.         public final String toString() { return key + "=" + value; }
  17.         // 重写hashCode()方法
  18.         public final int hashCode() {
  19.             return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
  20.         }
  22.         public final V setValue(V newValue) {
  23.             V oldValue = value;
  24.             value = newValue;
  25.             return oldValue;
  26.         }
  27.         // 重写 equals() 方法
  28.         public final boolean equals(Object o) {
  29.             if (o == this)
  30.                 return true;
  31.             if (o instanceof Map.Entry) {
  32.                 Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
  33.                 if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
  34.                     Objects.equals(value, e.getValue()))
  35.                     return true;
  36.             }
  37.             return false;
  38.         }
  39. }

树节点类源码:

  1. static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
  2.         TreeNode<K,V> parent;  // 父
  3.         TreeNode<K,V> left;    // 左
  4.         TreeNode<K,V> right;   // 右
  5.         TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
  6.         boolean red;           // 判断颜色
  7.         TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
  8.             super(hash, key, val, next);
  9.         }
  10.         // 返回根节点
  11.         final TreeNode<K,V> root() {
  12.             for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
  13.                 if ((p = r.parent) == null)
  14.                     return r;
  15.                 r = p;
  16.        }

HashMap源码分析

构造方法

HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下：

  1.     // 默认构造函数。
  2.     public HashMap() {
  3.         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted
  4.      }
  6.      // 包含另一个“Map”的构造函数
  7.      public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
  8.          this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
  9.          putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法
  10.      }
  12.      // 指定“容量大小”的构造函数
  13.      public HashMap(int initialCapacity) {
  14.          this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
  15.      }
  17.      // 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
  18.      public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  19.          if (initialCapacity < 0)
  20.              throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
  21.          if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
  22.              initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  23.          if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
  24.              throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
  25.          this.loadFactor = loadFactor;
  26.          this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
  27.      }

putMapEntries方法：

  1. final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
  2.     int s = m.size();
  3.     if (s > 0) {
  4.         // 判断table是否已经初始化
  5.         if (table == null) { // pre-size
  6.             // 未初始化，s为m的实际元素个数
  7.             float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
  8.             int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
  9.                     (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
  10.             // 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值
  11.             if (t > threshold)
  12.                 threshold = tableSizeFor(t);
  13.         }
  14.         // 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理
  15.         else if (s > threshold)
  16.             resize();
  17.         // 将m中的所有元素添加至HashMap中
  18.         for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
  19.             K key = e.getKey();
  20.             V value = e.getValue();
  21.             putVal(hash(key), key, value, false, evict);
  22.         }
  23.     }
  24. }

put方法

HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。

对putVal方法添加元素的分析如下：

  • ①如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
  • ②如果定位到的数组位置有元素就和要插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，如果key不相同，就判断p是否是一个树节点，如果是就调用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入(插入的是链表尾部)。

put方法

  1. public V put(K key, V value) {
  2.     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
  3. }
  5. final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
  6.                    boolean evict) {
  7.     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
  8.     // table未初始化或者长度为0，进行扩容
  9.     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
  10.         n = (tab = resize()).length;
  11.     // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)
  12.     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
  13.         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  14.     // 桶中已经存在元素
  15.     else {
  16.         Node<K,V> e; K k;
  17.         // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等
  18.         if (p.hash == hash &&
  19.             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  20.                 // 将第一个元素赋值给e，用e来记录
  21.                 e = p;
  22.         // hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点
  23.         else if (p instanceof TreeNode)
  24.             // 放入树中
  25.             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
  26.         // 为链表结点
  27.         else {
  28.             // 在链表最末插入结点
  29.             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
  30.                 // 到达链表的尾部
  31.                 if ((e = p.next) == null) {
  32.                     // 在尾部插入新结点
  33.                     p.next = newNode(hash, key, value, null);
  34.                     // 结点数量达到阈值，转化为红黑树
  35.                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
  36.                         treeifyBin(tab, hash);
  37.                     // 跳出循环
  38.                     break;
  39.                 }
  40.                 // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
  41.                 if (e.hash == hash &&
  42.                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  43.                     // 相等，跳出循环
  44.                     break;
  45.                 // 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表
  46.                 p = e;
  47.             }
  48.         }
  49.         // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
  50.         if (e != null) { 
  51.             // 记录e的value
  52.             V oldValue = e.value;
  53.             // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
  54.             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
  55.                 //用新值替换旧值
  56.                 e.value = value;
  57.             // 访问后回调
  58.             afterNodeAccess(e);
  59.             // 返回旧值
  60.             return oldValue;
  61.         }
  62.     }
  63.     // 结构性修改
  64.     ++modCount;
  65.     // 实际大小大于阈值则扩容
  66.     if (++size > threshold)
  67.         resize();
  68.     // 插入后回调
  69.     afterNodeInsertion(evict);
  70.     return null;
  71. }

我们再来对比一下 JDK1.7 put方法的代码

对于put方法的分析如下：

  • ①如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
  • ②如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。
  1. public V put(K key, V value)
  2.     if (table == EMPTY_TABLE) { 
  3.     inflateTable(threshold); 
  4. }  
  5.     if (key == null)
  6.         return putForNullKey(value);
  7.     int hash = hash(key);
  8.     int i = indexFor(hash, table.length);
  9.     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { // 先遍历
  10.         Object k;
  11.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
  12.             V oldValue = e.value;
  13.             e.value = value;
  14.             e.recordAccess(this);
  15.             return oldValue; 
  16.         }
  17.     }
  19.     modCount++;
  20.     addEntry(hash, key, value, i);  // 再插入
  21.     return null;
  22. }

get方法

  1. public V get(Object key) {
  2.     Node<K,V> e;
  3.     return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
  4. }
  6. final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
  7.     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
  8.     if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
  9.         (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
  10.         // 数组元素相等
  11.         if (first.hash == hash && // always check first node
  12.             ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  13.             return first;
  14.         // 桶中不止一个节点
  15.         if ((e = first.next) != null) {
  16.             // 在树中get
  17.             if (first instanceof TreeNode)
  18.                 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
  19.             // 在链表中get
  20.             do {
  21.                 if (e.hash == hash &&
  22.                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  23.                     return e;
  24.             } while ((e = e.next) != null);
  25.         }
  26.     }
  27.     return null;
  28. }

resize方法

进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免resize。

  1. final Node<K,V>[] resize() {
  2.     Node<K,V>[] oldTab = table;
  3.     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
  4.     int oldThr = threshold;
  5.     int newCap, newThr = 0;
  6.     if (oldCap > 0) {
  7.         // 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧
  8.         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
  9.             threshold = Integer.MAX_VALUE;
  10.             return oldTab;
  11.         }
  12.         // 没超过最大值，就扩充为原来的2倍
  13.         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
  14.             newThr = oldThr << 1; // double threshold
  15.     }
  16.     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
  17.         newCap = oldThr;
  18.     else { 
  19.         // signifies using defaults
  20.         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
  21.         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
  22.     }
  23.     // 计算新的resize上限
  24.     if (newThr == 0) {
  25.         float ft = (float)newCap * loadFactor;
  26.         newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
  27.     }
  28.     threshold = newThr;
  29.     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
  30.         Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
  31.     table = newTab;
  32.     if (oldTab != null) {
  33.         // 把每个bucket都移动到新的buckets中
  34.         for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
  35.             Node<K,V> e;
  36.             if ((e = oldTab[j]) != null) {
  37.                 oldTab[j] = null;
  38.                 if (e.next == null)
  39.                     newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
  40.                 else if (e instanceof TreeNode)
  41.                     ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
  42.                 else { 
  43.                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
  44.                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
  45.                     Node<K,V> next;
  46.                     do {
  47.                         next = e.next;
  48.                         // 原索引
  49.                         if ((e.hash & oldCap) == 0) {
  50.                             if (loTail == null)
  51.                                 loHead = e;
  52.                             else
  53.                                 loTail.next = e;
  54.                             loTail = e;
  55.                         }
  56.                         // 原索引+oldCap
  57.                         else {
  58.                             if (hiTail == null)
  59.                                 hiHead = e;
  60.                             else
  61.                                 hiTail.next = e;
  62.                             hiTail = e;
  63.                         }
  64.                     } while ((e = next) != null);
  65.                     // 原索引放到bucket里
  66.                     if (loTail != null) {
  67.                         loTail.next = null;
  68.                         newTab[j] = loHead;
  69.                     }
  70.                     // 原索引+oldCap放到bucket里
  71.                     if (hiTail != null) {
  72.                         hiTail.next = null;
  73.                         newTab[j + oldCap] = hiHead;
  74.                     }
  75.                 }
  76.             }
  77.         }
  78.     }
  79.     return newTab;
  80. }

HashMap常用方法测试

  1. package map;
  3. import java.util.Collection;
  4. import java.util.HashMap;
  5. import java.util.Set;
  7. public class HashMapDemo {
  9.     public static void main(String[] args) {
  10.         HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();
  11.         // 键不能重复，值可以重复
  12.         map.put("san", "张三");
  13.         map.put("si", "李四");
  14.         map.put("wu", "王五");
  15.         map.put("wang", "老王");
  16.         map.put("wang", "老王2");// 老王被覆盖
  17.         map.put("lao", "老王");
  18.         System.out.println("-------直接输出hashmap:-------");
  19.         System.out.println(map);
  20.         /**
  21.          * 遍历HashMap
  22.          */
  23.         // 1.获取Map中的所有键
  24.         System.out.println("-------foreach获取Map中所有的键:------");
  25.         Set<String> keys = map.keySet();
  26.         for (String key : keys) {
  27.             System.out.print(key+"  ");
  28.         }
  29.         System.out.println();//换行
  30.         // 2.获取Map中所有值
  31.         System.out.println("-------foreach获取Map中所有的值:------");
  32.         Collection<String> values = map.values();
  33.         for (String value : values) {
  34.             System.out.print(value+"  ");
  35.         }
  36.         System.out.println();//换行
  37.         // 3.得到key的值的同时得到key所对应的值
  38.         System.out.println("-------得到key的值的同时得到key所对应的值:-------");
  39.         Set<String> keys2 = map.keySet();
  40.         for (String key : keys2) {
  41.             System.out.print(key + "：" + map.get(key)+"   ");
  43.         }
  44.         /**
  45.          * 另外一种不常用的遍历方式
  46.          */
  47.         // 当我调用put(key,value)方法的时候，首先会把key和value封装到
  48.         // Entry这个静态内部类对象中，把Entry对象再添加到数组中，所以我们想获取
  49.         // map中的所有键值对，我们只要获取数组中的所有Entry对象，接下来
  50.         // 调用Entry对象中的getKey()和getValue()方法就能获取键值对了
  51.         Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();
  52.         for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {
  53.             System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());
  54.         }
  56.         /**
  57.          * HashMap其他常用方法
  58.          */
  59.         System.out.println("after map.size()："+map.size());
  60.         System.out.println("after map.isEmpty()："+map.isEmpty());
  61.         System.out.println(map.remove("san"));
  62.         System.out.println("after map.remove()："+map);
  63.         System.out.println("after map.get(si)："+map.get("si"));
  64.         System.out.println("after map.containsKey(si)："+map.containsKey("si"));
  65.         System.out.println("after containsValue(李四)："+map.containsValue("李四"));
  66.         System.out.println(map.replace("si", "李四2"));
  67.         System.out.println("after map.replace(si, 李四2):"+map);
  68.     }
  70. }