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接下来会从以下几个方面介绍 HashMap 源码相关知识:
1、HashMap 存储结构
2、HashMap 各常量、成员变量作用
3、HashMap 几种构造方法
4、HashMap put 及其相关方法
5、HashMap get 及其相关方法
6、HashMap remove 及其相关方法
7、HashMap 扩容方法 resize()
介绍方法时会包含方法实现相关细节。
先来看一下 HashMap 的继承图:
HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据,大多数情况下可以直接定位到它的值,因而具有很快的访问速度,但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null ,允许多条记录的值为 null 。HashMap 非线程安全,即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap,可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全,可以用 Collections的synchronizedMap 方法使 HashMap 具有线程安全的能力,或者使用ConcurrentHashMap。
一、HashMap 存储结构
HashMap是数组+链表+红黑树(JDK1.8增加了红黑树部分)实现的,如下图所示:
源码中具体实现如下:
1 // Node<K,V> 类用来实现数组及链表的数据结构 2 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { 3 final int hash; //保存节点的 hash 值 4 final K key; //保存节点的 key 值 5 V value; //保存节点的 value 值 6 Node<K,V> next; //指向链表结构下的当前节点的 next 节点,红黑树 TreeNode 节点中也有用到 7 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 15 public final K getKey() { } 16 public final V getValue() { } 17 public final String toString() { } 18 19 public final int hashCode() { 20 } 21 22 public final V setValue(V newValue) { 23 } 24 25 public final boolean equals(Object o) { 26 } 27 } 28 29 public class LinkedHashMap<K,V> { 30 static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> { 31 Entry<K,V> before, after; 32 Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { 33 super(hash, key, value, next); 34 } 35 } 36 } 37 38 // TreeNode<K,V> 继承 LinkedHashMap.Entry<K,V>,用来实现红黑树相关的存储结构 39 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { 40 TreeNode<K,V> parent; // 存储当前节点的父节点 41 TreeNode<K,V> left; //存储当前节点的左孩子 42 TreeNode<K,V> right; //存储当前节点的右孩子 43 TreeNode<K,V> prev; // 存储当前节点的前一个节点 44 boolean red; // 存储当前节点的颜色(红、黑) 45 TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) { 46 super(hash, key, val, next); 47 } 48 }
二、HashMap 各常量、成员变量作用
1 //创建 HashMap 时未指定初始容量情况下的默认容量 2 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 3 4 //HashMap 的最大容量 5 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 6 7 //HashMap 默认的装载因子,当 HashMap 中元素数量超过 容量*装载因子 时,进行 resize() 操作 8 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 9 10 //用来确定何时将解决 hash 冲突的链表转变为红黑树 11 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 12 13 // 用来确定何时将解决 hash 冲突的红黑树转变为链表 14 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; 15 16 /* 当需要将解决 hash 冲突的链表转变为红黑树时,需要判断下此时数组容量,若是由于数组容量太小(小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY )导致的 hash 冲突太多,则不进行链表转变为红黑树操作,转为利用 resize() 函数对 hashMap 扩容 */ 17 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
1 //保存Node<K,V>节点的数组 2 transient Node<K,V>[] table; 3 4 //由 hashMap 中 Node<K,V> 节点构成的 set 5 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; 6 7 //记录 hashMap 当前存储的元素的数量 8 transient int size; 9 10 //记录 hashMap 发生结构性变化的次数(注意 value 的覆盖不属于结构性变化) 11 transient int modCount; 12 13 //threshold的值应等于 table.length * loadFactor, size 超过这个值时进行 resize()扩容 14 int threshold; 15 16 //记录 hashMap 装载因子 17 final float loadFactor;
三、HashMap 几种构造方法
1 //构造方法1,指定初始容量及装载因子 2 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { 3 if (initialCapacity < 0) 4 throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + 5 initialCapacity); 6 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) 7 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; 8 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) 9 throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + 10 loadFactor); 11 this.loadFactor = loadFactor; 12 /* tableSizeFor(initialCapacity) 方法返回的值是最接近 initialCapacity 的2的幂,若指定初始容量为9,则实际 hashMap 容量为16*/ 13 //注意此种方法创建的 hashMap 初始容量的值存在 threshold 中 14 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 15 } 16 //tableSizeFor(initialCapacity) 方法返回的值是最接近 initialCapacity 的2的幂 17 static final int tableSizeFor(int cap) { 18 int n = cap - 1; 19 n |= n >>> 1;// >>> 代表无符号右移 20 n |= n >>> 2; 21 n |= n >>> 4; 22 n |= n >>> 8; 23 n |= n >>> 16; 24 return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; 25 } 26 //构造方法2,仅指定初始容量,装载因子的值采用默认的 0.75 27 public HashMap(int initialCapacity) { 28 this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); 29 } 30 //构造方法3,所有参数均采用默认值 31 public HashMap() { 32 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted 33 }
四、HashMap put 及其相关方法
这部分我觉得是 hashMap 中比较重要的代码,介绍如下:
1 //指定节点 key,value,向 hashMap 中插入节点 2 public V put(K key, V value) { 3 //注意待插入节点 hash 值的计算,调用了 hash(key) 函数 4 //实际调用 putVal()进行节点的插入 5 return putVal(hash(key), key, value, false, true); 6 } 7 static final int hash(Object key) { 8 int h; 9 /*key 的 hash 值的计算是通过hashCode()的高16位异或低16位实现的:(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16),主要是从速度、功效、质量来考虑的,这么做可以在数组table的length比较小的时候,也能保证考虑到高低Bit都参与到Hash的计算中,同时不会有太大的开销*/ 10 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); 11 } 12 13 public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) { 14 putMapEntries(m, true); 15 } 16 17 /*把Map<? extends K, ? extends V> m 中的元素插入到 hashMap 中,若 evict 为 false,代表是在创建 hashMap 时调用了这个函数,例如利用上述构造函数3创建 hashMap;若 evict 为true,代表是在创建 hashMap 后才调用这个函数,例如上述的 putAll 函数。*/ 18 19 final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { 20 int s = m.size(); 21 if (s > 0) { 22 /*如果是在创建 hashMap 时调用的这个函数则 table 一定为空*/ 23 if (table == null) { 24 //根据待插入的map 的 size 计算要创建的 hashMap 的容量。 25 float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; 26 int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? 27 (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); 28 //把要创建的 hashMap 的容量存在 threshold 中 29 if (t > threshold) 30 threshold = tableSizeFor(t); 31 } 32 //判断待插入的 map 的 size,若 size 大于 threshold,则先进行 resize() 33 else if (s > threshold) 34 resize(); 35 for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { 36 K key = e.getKey(); 37 V value = e.getValue(); 38 //实际也是调用 putVal 函数进行元素的插入 39 putVal(hash(key), key, value, false, evict); 40 } 41 } 42 } 43 44 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 45 boolean evict) { 46 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; 47 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 48 n = (tab = resize()).length; 49 /*根据 hash 值确定节点在数组中的插入位置,若此位置没有元素则进行插入,注意确定插入位置所用的计算方法为 (n - 1) & hash,由于 n 一定是2的幂次,这个操作相当于 50 hash % n */ 51 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 52 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 53 else {//说明待插入位置存在元素 54 Node<K,V> e; K k; 55 //比较原来元素与待插入元素的 hash 值和 key 值 56 if (p.hash == hash && 57 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 58 e = p; 59 //若原来元素是红黑树节点,调用红黑树的插入方法:putTreeVal 60 else if (p instanceof TreeNode) 61 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 62 else {//证明原来的元素是链表的头结点,从此节点开始向后寻找合适插入位置 63 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 64 if ((e = p.next) == null) { 65 //找到插入位置后,新建节点插入 66 p.next = newNode(hash, key, value, null); 67 //若链表上节点超过TREEIFY_THRESHOLD - 1,将链表变为红黑树 68 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 69 treeifyBin(tab, hash); 70 break; 71 } 72 if (e.hash == hash && 73 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 74 break; 75 p = e; 76 } 77 }//end else 78 if (e != null) { // 待插入元素在 hashMap 中已存在 79 V oldValue = e.value; 80 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 81 e.value = value; 82 afterNodeAccess(e); 83 return oldValue; 84 } 85 }//end else 86 ++modCount; 87 if (++size > threshold) 88 resize(); 89 afterNodeInsertion(evict); 90 return null; 91 }//end putval
1 /*读懂这个函数要注意理解 hash 冲突发生的几种情况 2 1、两节点 key 值相同(hash值一定相同),导致冲突 3 2、两节点 key 值不同,由于 hash 函数的局限性导致hash 值相同,冲突 4 3、两节点 key 值不同,hash 值不同,但 hash 值对数组长度取模后相同,冲突 5 */ 6 final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, 7 int h, K k, V v) { 8 Class<?> kc = null; 9 boolean searched = false; 10 TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this; 11 //从根节点开始查找合适的插入位置(与二叉搜索树查找过程相同) 12 for (TreeNode<K,V> p = root;;) { 13 int dir, ph; K pk; 14 if ((ph = p.hash) > h) 15 dir = -1; // dir小于0,接下来查找当前节点左孩子 16 else if (ph < h) 17 dir = 1; // dir大于0,接下来查找当前节点右孩子 18 else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk))) 19 //进入这个else if 代表 hash 值相同,key 相同 20 return p; 21 /*要进入下面这个else if,代表有以下几个含义: 22 1、当前节点与待插入节点 key 不同, hash 值相同 23 2、k是不可比较的,即k并未实现 comparable<K> 接口 (若 k 实现了comparable<K> 接口,comparableClassFor(k)返回的是k的 class,而不是 null) 24 或者 compareComparables(kc, k, pk) 返回值为 0 (pk 为空 或者 按照 k.compareTo(pk) 返回值为0, 返回值为0可能是由于 k的compareTo 方法实现不当引起的,compareTo 判定相等,而上个 else if 中 equals 判定不等)*/ 25 else if ((kc == null && 26 (kc = comparableClassFor(k)) == null) || 27 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) { 28 //在以当前节点为根的整个树上搜索是否存在待插入节点(只会搜索一次) 29 if (!searched) { 30 TreeNode<K,V> q, ch; 31 searched = true; 32 if (((ch = p.left) != null && 33 (q = ch.find(h, k, kc)) != null) || 34 ((ch = p.right) != null && 35 (q = ch.find(h, k, kc)) != null)) 36 //若树中存在待插入节点,直接返回 37 return q; 38 } 39 // 既然k是不可比较的,那我自己指定一个比较方式 40 dir = tieBreakOrder(k, pk); 41 }//end else if 42 43 TreeNode<K,V> xp = p; 44 if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) { 45 //找到了待插入的位置,xp 为待插入节点的父节点 46 //注意TreeNode节点中既存在树状关系,也存在链式关系,并且是双端链表 47 Node<K,V> xpn = xp.next; 48 TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn); 49 if (dir <= 0) 50 xp.left = x; 51 else 52 xp.right = x; 53 xp.next = x; 54 x.parent = x.prev = xp; 55 if (xpn != null) 56 ((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x; 57 //插入节点后进行二叉树的平衡操作 58 moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x)); 59 return null; 60 } 61 }//end for 62 }//end putTreeVal 63 64 static int tieBreakOrder(Object a, Object b) { 65 int d; 66 //System.identityHashCode()实际是利用对象 a,b 的内存地址进行比较 67 if (a == null || b == null || 68 (d = a.getClass().getName(). 69 compareTo(b.getClass().getName())) == 0) 70 d = (System.identityHashCode(a) <= System.identityHashCode(b) ? 71 -1 : 1); 72 return d; 73 }
五、HashMap get 及其相关方法
1 public V get(Object key) { 2 Node<K,V> e; 3 //实际上是根据输入节点的 hash 值和 key 值利用getNode 方法进行查找 4 return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; 5 } 6 7 final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { 8 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; 9 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && 10 (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { 11 if (first.hash == hash && // always check first node 12 ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 13 return first; 14 if ((e = first.next) != null) { 15 if (first instanceof TreeNode) 16 //若定位到的节点是 TreeNode 节点,则在树中进行查找 17 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); 18 do {//否则在链表中进行查找 19 if (e.hash == hash && 20 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 21 return e; 22 } while ((e = e.next) != null); 23 } 24 } 25 return null; 26 }
1 final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) { 2 //从根节点开始,调用 find 方法进行查找 3 return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null); 4 } 5 6 final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) { 7 TreeNode<K,V> p = this; 8 do { 9 int ph, dir; K pk; 10 TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q; 11 //首先进行hash 值的比较,若不同令当前节点变为它的左孩子或者右孩子 12 if ((ph = p.hash) > h) 13 p = pl; 14 else if (ph < h) 15 p = pr; 16 //hash 值相同,进行 key 值的比较 17 else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk))) 18 return p; 19 else if (pl == null) 20 p = pr; 21 else if (pr == null) 22 p = pl; 23 //执行到这儿,意味着hash 值相同,key 值不同 24 //若k 是可比较的并且k.compareTo(pk) 返回结果不为0可进入下面elseif 25 else if ((kc != null || 26 (kc = comparableClassFor(k)) != null) && 27 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0) 28 p = (dir < 0) ? pl : pr; 29 /*若 k 是不可比较的 或者 k.compareTo(pk) 返回结果为0则在整棵树中进行查找,先找右子树,右子树没有再找左子树*/ 30 else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null) 31 return q; 32 else 33 p = pl; 34 } while (p != null); 35 return null; 36 }
七、HashMap 扩容方法 resize()
resize() 方法中比较重要的是链表和红黑树的 rehash 操作,先来说下 rehash 的实现原理:
我们在扩容的时候,一般是把长度扩为原来2倍,所以,元素的位置要么是在原位置,要么是在原位置再移动2次幂的位置。看下图可以明白这句话的意思,n为table的长度,图(a)表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例,图(b)表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置的示例,其中hash1是key1对应的哈希与高位运算结果。
元素在重新计算hash之后,因为n变为2倍,那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色),因此新的index就会发生这样的变化:
因此,我们在扩充HashMap的时候,只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了,是0的话索引没变,是1的话索引变成“原索引+oldCap”,可以看看下图为16扩充为32的resize示意图:
这个算法很巧妙,既省去了重新计算hash值的时间,而且同时,由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的,因此resize的过程,均匀的把之前的冲突的节点分散到新的槽中了。
具体源码介绍:
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; /* 1、resize()函数在size > threshold时被调用。 oldCap大于 0 代表原来的 table 表非空, oldCap 为原表的大小, oldThr(threshold) 为 oldCap × load_factor */ if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold } /* 2、resize()函数在table为空被调用。 oldCap 小于等于 0 且 oldThr 大于0,代表用户创建了一个 HashMap,但是使用的构造函数为 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 或 HashMap(int initialCapacity) 或 HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m),导致 oldTab 为 null,oldCap 为0, oldThr 为用户指定的 HashMap的初始容量。 */ else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; /* 3、resize()函数在table为空被调用。 oldCap 小于等于 0 且 oldThr 等于0,用户调用 HashMap()构造函数创建的 HashMap,所有值均采用默认值, oldTab(Table)表为空,oldCap为0,oldThr等于0, */ 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; Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; if (oldTab != null) { //把 oldTab 中的节点 reHash 到 newTab 中去 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; //若节点是单个节点,直接在 newTab 中进行重定位 if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //若节点是 TreeNode 节点,要进行 红黑树的 rehash 操作 else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); //若是链表,进行链表的 rehash 操作 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; //根据算法 e.hash & oldCap 判断节点位置 rehash 后是否发生改变 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; } if (hiTail != null) { hiTail.next = null; // rehash 后节点新的位置一定为原来基础上加上 oldCap newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
1 //这个函数的功能是对红黑树进行 rehash 操作 2 final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) { 3 TreeNode<K,V> b = this; 4 // Relink into lo and hi lists, preserving order 5 TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null; 6 TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null; 7 int lc = 0, hc = 0; 8 //由于 TreeNode 节点之间存在双端链表的关系,可以利用链表关系进行 rehash 9 for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) { 10 next = (TreeNode<K,V>)e.next; 11 e.next = null; 12 if ((e.hash & bit) == 0) { 13 if ((e.prev = loTail) == null) 14 loHead = e; 15 else 16 loTail.next = e; 17 loTail = e; 18 ++lc; 19 } 20 else { 21 if ((e.prev = hiTail) == null) 22 hiHead = e; 23 else 24 hiTail.next = e; 25 hiTail = e; 26 ++hc; 27 } 28 } 29 30 //rehash 操作之后注意对根据链表长度进行 untreeify 或 treeify 操作 31 if (loHead != null) { 32 if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) 33 tab[index] = loHead.untreeify(map); 34 else { 35 tab[index] = loHead; 36 if (hiHead != null) // (else is already treeified) 37 loHead.treeify(tab); 38 } 39 } 40 if (hiHead != null) { 41 if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) 42 tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map); 43 else { 44 tab[index + bit] = hiHead; 45 if (loHead != null) 46 hiHead.treeify(tab); 47 } 48 }//end if 49 }//end split 50
关于 HashMap 源码阅读的相关知识就先介绍到这里,有一些地方还需要更深入理解透彻(例如红黑树的插入节点之后的平衡操作,删除节点操作),后期会继续补充。
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