Java詳解HashMap實現(xiàn)原理和源碼分析
HashMap實現(xiàn)原理和源碼詳細分析
ps:本篇基于Jdk1.8
學習要點:
1、知道HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2、了解HashMap中的散列算法
3、知道HashMap中put、remove、get的代碼實現(xiàn)
4、HashMap的哈希沖突是什么?怎么處理的?
5、知道HashMap的擴容機制
1、什么是HashMap?
HashMap 基于哈希表的 Map 接口實現(xiàn),是以 key-value 存儲形式存在 ,HashMap 的實現(xiàn)不是同步的,這意味著它不是線程安全的。它的 key、value 都可以為 null,此外,HashMap 中的映射不是有序的。
2、HashMap的特性
Hash存儲無序的
key和value都可以存儲null值,但是key只能存唯一的一個null值
jdk8之前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組+鏈表,Jdk8之后變成數(shù)組+鏈表+紅黑樹
閥值大于8并且數(shù)組長度大于64才會轉(zhuǎn)為紅黑樹
3、HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
JDK7的情況,是數(shù)組加鏈接,hash沖突時候,就轉(zhuǎn)換為鏈表:
jdk8的情況,jdk8加上了紅黑樹,鏈表的數(shù)量大于8而且數(shù)組長度大于64之后,就轉(zhuǎn)換為紅黑樹,紅黑樹節(jié)點小于6之后,就又轉(zhuǎn)換為鏈表:
翻下HashMap源碼,對應(yīng)的節(jié)點信息:
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { // hashCode final int hash; final K key; V value; // 鏈表的next指針就不為null 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; } // ... }
4、HashMap初始化操作
4.1、成員變量
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { /** * 序列號版本號 */ private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; /** * 初始化容量,為16=2的4次冪 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 /** * 最大容量,為2的30次冪 */ static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /** * 默認的負載因子,默認值是0.75 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * 鏈表節(jié)點樹超過8就轉(zhuǎn)為為紅黑樹 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * 紅黑樹節(jié)點少于6就再轉(zhuǎn)換回鏈表 */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; /** * 桶中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為紅黑樹對應(yīng)的數(shù)組長度最小的值 */ static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // ... /** * HashMap存儲元素的數(shù)組 */ transient Node<K,V>[] table; /** * 用來存放緩存 */ transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; /** * HashMap存放元素的個數(shù) */ transient int size; /** * 用來記錄HashMap的修改次數(shù) */ transient int modCount; /** * 用來調(diào)整大小下一個容量的值(容量*負載因子) */ int threshold; /** * Hash表的負載因子 */ final float loadFactor; }
4.2、 構(gòu)造方法
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { // 初始容量不能小于0,小于0直接拋出IllegalArgumentException if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); // 初始容量大于最大容量的時候,取最大容量作為初始容量 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // 負載因子不能小于0,而且要是數(shù)值類型,isNan:true,表示就是非數(shù)值類型 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); // 將指定的負載因子賦值給全局變量 this.loadFactor = loadFactor; // threshold = (容量) * (負載因子) this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); } public HashMap(int initialCapacity) { // 初始化容量和默認負載因子 this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } public HashMap() { // 默認的負載因子為0.75 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; }
然后,我們知道HashMap的默認容量是16,然后是在哪里賦值的?從上面這個代碼就可以知道this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
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; }
這里涉及到計算機基本知識的,右移運算和或運算,下面給出圖例:通過比較麻煩的計算得出n為16
往代碼里翻,還找到下面這個構(gòu)造方法public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)
:這個構(gòu)造方法是用于構(gòu)造一個映射關(guān)系與指定 Map 相同的新 HashMap:
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); }
看一下putMapEntries
這個方法:
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { // 傳入的集合長度 int s = m.size(); if (s > 0) { // 判斷table是否已經(jīng)初始化處理 if (table == null) { // pre-size 未初始化的情況 // 加上1.0F的目的是對小數(shù)向上取整,保證最大容量,減少resize的調(diào)用次數(shù) float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); // 計算出來的t大于HashMap的閥值,進行tableSizeFor if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } else if (s > threshold) // 已經(jīng)初始化的情況,進行擴容resize resize(); // 遍歷,將map中的所有元素都添加到hashMap中 for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { K key = e.getKey(); V value = e.getValue(); putVal(hash(key), key, value, false, evict); } } }
5、Jdk8中HashMap的算法
5.1、HashMap中散列算法
在HashMap的java.util.HashMap#hash
,這個方法中有特定的用于計算哈希值的方法:這個方法的作用?這個方法就是用于hashMap當put對應(yīng)的key之后,計算特定的hashCode,然后再(n-1)&hash
計算對應(yīng)的數(shù)組table的下標,這個后面跟一下HashMap源碼才比較清楚:
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
看起來代碼只有兩行,然后其實蘊含了一種散列算法的思想,下面簡單分析一下:這里先將代碼進行拆分,看起來清晰點:
static final int hash(Object key) { // 傳入的key為null,返回默認值0 if (key == null) return 0; // 計算哈希code int h = key.hashCode(); // 將計算出來的hashCode右移16位,相當于乘于(1/2)的16次方 int t = h >>> 16; // 將兩個值做異或運算然后返回 return h ^ t; }
其實里面要做的事情是先計算出hashCode,然后將hashCode右移16位,然后這兩個數(shù)再做異或運算??雌饋硎沁@么一回事,然后作者的意圖是什么?首先既然是散列算法,散列算法的目的就是為了讓數(shù)據(jù)均勻分布
從圖可以看出,使用異或運算,出現(xiàn)0和1的概率是相等的,所以這就是為什么要使用異或運算的原因,散列算法的本質(zhì)目的就是為了讓數(shù)據(jù)均勻分布,使用異或運算得出的哈希值因為比較均勻散列分布,所以出現(xiàn)哈希沖突的概率就小很多
補充:
- 與運算:兩個數(shù)相應(yīng)的位數(shù)字都是1,與運算后是1,其余情況是0;
- 或運算:兩個數(shù)相應(yīng)的位數(shù)字只要有1個是1,或運算后是1,否則是0;
- 異或運算:兩個數(shù)相應(yīng)的位數(shù)字相同,結(jié)果是1,否則是0;
然后為什么再進行右移16位?我們知道,int類型最大的數(shù)值是2的32次方
,然后可以分為高16位加上低16位,右移16位就是使數(shù)值變小了,“左大右小”
,這個是位移運算的準則
5.2、什么是HashMap中哈希沖突?
哈希沖突也可以稱之為哈希碰撞,理論上的哈希沖突是指計算出來的哈希值一樣,導(dǎo)致沖突了,不過在HashMap中的哈希沖突具體是指(n-1)&hash,這個值是hashMap里數(shù)組的下標。Jdk8之前的處理方法是通過鏈表處理,只要hash沖突了,就會將節(jié)點添加到鏈表尾部;jdk8之后的做法是通過鏈表+紅黑樹的方法,最開始哈希沖突了,也是用鏈表,然后鏈表節(jié)點達到8個,數(shù)組長度超過64的情況,轉(zhuǎn)成紅黑樹,這個可以在源碼里找到答案
翻下源碼,HashMap#putVal
,里面的邏輯,先校驗計算出來的,數(shù)組tab的下標,i=(n-1)&hash
是否沖突了,不沖突就新增節(jié)點,沖突的情況,轉(zhuǎn)鏈表或者紅黑樹
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
6、Jdk8中HashMap的put操作
- put方法的核心流程
- 根據(jù)hashcode計算數(shù)組的下標
- 對應(yīng)下標數(shù)組為空的情況,新增節(jié)點
- 否則就是哈希沖突了,如果桶使用鏈表節(jié)點,就新增到鏈表節(jié)點尾部,使用了紅黑樹就新增到紅黑樹里
上面是核心的流程,忽略了存在重復(fù)的鍵,則為該鍵替換新值 value, size 大于閾值 threshold,則進行擴容等等這些情況
ok,還是跟一下put源碼:
public V put(K key, V value) { 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; // 第1次新增,初始數(shù)據(jù)resize if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // 判斷是否出現(xiàn)hash沖突 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // hash不沖突,新增節(jié)點 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { // 哈希沖突的情況,使用鏈表或者紅黑樹處理 Node<K,V> e; K k; // 存在重復(fù)的鍵的情況,key和hash都相等 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 將舊的節(jié)點對象賦值給新的e e = p; else if (p instanceof TreeNode) // 使用了紅黑樹節(jié)點 // 將節(jié)點放到紅黑樹中 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { // 鏈表的情況 // 無限循環(huán) for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 一直遍歷,找到尾節(jié)點 if ((e = p.next) == null) { // 將新節(jié)點添加到尾部 p.next = newNode(hash, key, value, null); // 節(jié)點數(shù)量大于8,轉(zhuǎn)為紅黑樹 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); // 跳出循環(huán) break; } // 也是為了避免hashCode和key一樣的情況 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; // 重新賦值,用于鏈表的遍歷 p = e; } } // 桶中找到的key、hash相等的情況,也就是找到了重復(fù)的鍵,要使用新值替換舊值 if (e != null) { // existing mapping for key // 記錄e的值 V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) // 用新值替換舊值 e.value = value; // 訪問后回調(diào) afterNodeAccess(e); // 返回舊值 return oldValue; } } // 記錄修改次數(shù) ++modCount; // size大于threshole,進行擴容 if (++size > threshold) resize(); // 回調(diào)方法 afterNodeInsertion(evict); return null; }
然后是怎么轉(zhuǎn)換為紅黑樹的?紅黑樹的知識相對比較復(fù)雜,所以比較詳細的可以參考HashMap紅黑樹入門(實現(xiàn)一個簡單的紅黑樹)
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) { int n, index; Node<K,V> e; // MIN_TREEIFY_CAPACITY值為64,也就是說數(shù)組長度小于64是不會真正轉(zhuǎn)紅黑樹的 if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) // 擴容方法 resize(); // 轉(zhuǎn)紅黑樹操作 else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { // 紅黑樹的頭節(jié)點hd和尾節(jié)點t1 TreeNode<K,V> hd = null, tl = null; do { // 構(gòu)建樹節(jié)點 TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null); if (tl == null) // 新節(jié)點p賦值給紅黑樹的頭節(jié)點 hd = p; else { // 新節(jié)點的前節(jié)點就是原來的尾節(jié)點t1 p.prev = tl; // 尾部節(jié)點t1的next節(jié)點就是新節(jié)點 tl.next = p; } tl = p; } while ((e = e.next) != null); // 讓數(shù)組的節(jié)點執(zhí)行新建的樹節(jié)點,之后這個節(jié)點就變成TreeNode if ((tab[index] = hd) != null) hd.treeify(tab); } }
7、HashMap的擴容機制
這個知識點是HashMap中的一個重點之一,也是一個比較難的問題
7.1、什么時候需要擴容?
當hashMap中元素個數(shù)超過threshold
,threshold
為數(shù)組長度乘以負載因子loadFactor,loadFactor默認是0.75f
7.2、什么是HashMap的擴容?
resize這個方法是HashMap的擴容方法,是比較耗時的。HashMap在擴容時,都是翻兩倍,比如16的容量擴大到32,。HashMap進行擴容的方法是比較巧妙的,擴容后,與原來的下標(n-1)&hash
相對,其實只是多了1bit位。擴容后節(jié)點要么是在原來位置,聽起來好像很懵,所以還是認真看下面的分析:
下面給出例子,比如從容量為16擴容到32時,畫圖表示:
進行擴容,擴大到原來的兩倍:
到這一步,下標(n-1) & hash
,擴容后的數(shù)據(jù)10101
和原來的00101
相比,其實就是多了1bit,10101
是十進制的21,而21=5+16
,就是“原位置+舊容量”
,還有另外一種情況是保持為0的情況,這種情況是不改變位置的
下面給出一份表格,數(shù)據(jù)如圖:
容量為16的情況
有低位的兩個指針loHead、lloTail,高位的兩個指針hiHead、hiTail
擴容到32之后,再兩個鏈表加到對應(yīng)位置。分別有兩種情況,保持原來位置的和“原位置+舊容量”
這個位置
所以,擴容的過程,對應(yīng)的節(jié)點位置改變是這樣的過程:
7.3、resize的源碼實現(xiàn)
經(jīng)過上面比較詳細的分析,這個實現(xiàn)邏輯是可以在代碼里找到對應(yīng)的,ok,跟一下對應(yīng)的源碼:
final Node<K,V>[] resize() { // 得到當前的節(jié)點數(shù)組 Node<K,V>[] oldTab = table; // 數(shù)組的長度 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; // 計算擴容后的大小 if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { // 超過最大容量 即 1 <<< 30 // 超過最大容量就不擴充了,修改閥值為最大容量 threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 沒超過的情況,擴大為原來的兩倍 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold // 老閥值賦值給新的數(shù)組長度 newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults // 使用默認值16 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } // 重新計算閥值,然后要賦值給threshold if (newThr == 0) { float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } // 新的閥值,原來默認是12,現(xiàn)在變?yōu)?4 threshold = newThr; // 創(chuàng)建新的節(jié)點, newCap是新的數(shù)組長度,為32 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; if (oldTab != null) { for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) // 是紅黑樹節(jié)點,調(diào)用split方法 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order 是鏈表的情況 // 定義相關(guān)的指針 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do { next = e.next; // 不需要移動位置 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else { // 需要移動位置 ,調(diào)整到“原位置+舊容量”這個位置 if (hiTail == null) hiHead = e; else // hiTail指向要移動的節(jié)點e hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); if (loTail != null) { loTail.next = null; // 位置不變 newTab[j] = loHead; } if (hiTail != null) { // hiTail指向null hiTail.next = null; // oldCap是舊容量 ,移動到“原位置+舊容量”這個位置 newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
8、Jdk8中HashMap的remove操作
remove方法,這里思路是先要找到元素的位置,如果是鏈表,遍歷鏈表remove元素就可以,紅黑樹的情況就遍歷紅黑樹找到節(jié)點,然后remove樹節(jié)點,如果這時候樹節(jié)點數(shù)小于6,這種情況就要轉(zhuǎn)鏈表
@Override public boolean remove(Object key, Object value) { return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null; } 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; // 數(shù)組下標是(n-1)&hash,能找得到元素的情況 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; // 桶上的節(jié)點就是要找的key if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 將Node指向該節(jié)點 node = p; else if ((e = p.next) != null) { // 鏈表或者是紅黑樹節(jié)點的情況 if (p instanceof TreeNode) // 找到紅黑樹節(jié)點 node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key); else { // 鏈表的情況 // 遍歷鏈表,找到需要找的節(jié)點 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { node = e; break; } p = e; } while ((e = e.next) != null); } } // 找到節(jié)點之后 if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value || (value != null && value.equals(v)))) { if (node instanceof TreeNode) // 紅黑樹remove節(jié)點 ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable); else if (node == p) // 鏈表remove,通過改變指針 tab[index] = node.next; else p.next = node.next; // 記錄修改次數(shù) ++modCount; // 變動的數(shù)量 --size; afterNodeRemoval(node); return node; } } return null; }
9、Jdk8中HashMap的get操作
get方法:通過key找到value,這個方法比較容易理解
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; // 如果哈希表不為空并且key對應(yīng)的桶上不為空 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // 根據(jù)索引的位置檢查第一個節(jié)點 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { // 不是第1個節(jié)點的情況,那就有可能是鏈表或者紅黑樹節(jié)點 if (first instanceof TreeNode) // 根據(jù)getTreeNode獲取紅黑樹節(jié)點 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); // 鏈表的情況,只能遍歷鏈表 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
10、HashMap相關(guān)面試題
- HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么?在jdk8之前是數(shù)組+鏈表,jdk8之后是數(shù)組+鏈表+紅黑樹
- HashMap 中 hash 函數(shù)是怎么實現(xiàn)的?先通過jdk的
hashCode()
方法獲取hashCode,右移16位,然后這兩個數(shù)再做異或運算 - 什么是HashMap中的哈希沖突?哈希沖突,也可以稱之為哈希碰撞,一般是值計算出的哈希值一樣的,在HashMap中是根據(jù)計算出的hash,再去計算數(shù)組table下標(n-1)&hash一樣了,也就是沖突了
- HashMap是如何處理哈希沖突問題的?在jdk8之前是通過鏈表的方法,jdk8之后是通過鏈表+紅黑樹的方法
- HashMap是線程安全的?HashMap不是線程安全的,因為源碼里沒加同步鎖也沒其它保證線程安全的操作
- HashMap不是線程安全的,然后有什么方法?可以使用ConcurrentHashMap
- ConcurrentHashMap是怎么保證線程安全的?ConcurrentHashMap在Jdk8中 使用了CAS加上synchronized同步鎖來保證線程安全
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