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hashmap是什么?
HashMap采用key/value存储结构,每个key对应唯一的value,查询和修改能达到O(1)的平均时间复杂度。其为非线程安全的,且不保证元素存储的顺序
Question:
Cloneable接口说明hashmap对象可复制
Serializable接口说明其对象可序列化
实现了Map接口并继承了AbstractMap抽象类(实现了Map接口诸多函数)
jdk1.8的hashmap采用的存储结构是“数组+链表+红黑树”,如下图:
因为在jdk1.7中,当数据量很大时(hash冲突严重)会造成链表的长度很长,查询的时间复杂度为O(n),而红黑树的查询的时间复杂度为O(logn),提升了性能。(问题一)。
当数组table(图中)的长度大于64并且链表的长度超过了8个结点,则进行树化(链表转化为红黑树),倘若数组长度小与64,链表也超过了8个结点,只需进行数组扩容即可(扩容后链表长度减少),当同一个索引位置的节点在移除后达到 6 个,并且该索引位置的节点为红黑树节点,会触发红黑树节点转链表结点。(问题二)
下面让我们看一下源码:
/** * 默认的初始容量为16 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; /** * 最大的容量为2的30次方 */ static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /** * 默认的装载因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * 当一个桶中的元素个数大于等于8时进行树化 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * 当一个桶中的元素个数小于等于6时把树转化为链表 */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; /** * 当桶的个数达到64的时候才进行树化 */ static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; /** * 数组 */ transient Node<K,V>[] table; /** * 作为entrySet()的缓存,存放元素的集合 */ transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; /** * 元素的数量 */ transient int size; /** * 修改次数,用于在迭代的时候执行快速失败策略 */ transient int modCount; /** * 当桶的使用数量达到多少时进行扩容(扩容阈值) */ int threshold; /** * 装载因子 */ final float loadFactor;
(问题三)
hashmap容量只能是2的整数次幂,如果使用无参构造函数,默认容量为16,倘若采用有参构造函数,会将大于参数的最近2的整数幂作为容量。函数如下:
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;
}
此外:在putVal()函数中(增加结点的函数)通过(n-1)(n为数组长度)&hash(key的哈希值)来计算key的散列地址的。这里使用与运算取代了%(前者效率更高),但替换条件是n为2的n次方。(问题四).
Node<>
Node是一个典型的单链表节点,其中,hash用来存储key计算得来的hash值。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
}
TreeNode
TreeNode是一个典型的树型节点,其中,prev是链表中的节点,用于在删除元素的时候可以快速找到它的前置节点。
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; } // 位于LinkedHashMap中,典型的双向链表节点 static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> { Entry<K,V> before, after; Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { super(hash, key, value, next); } }
功能:添加元素的接口
在分析源码之前理解一下整个的添加元素的思路,随后再看一下源码如何体现的。
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); } //put调用函数 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //判断数组大小为空或者为0,是则调用resize()进行数组的初始化 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //判断对应的桶的位置是否为空,是则直接将结点填到桶里 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { //不为空,则判断待添加元素和该位置的结点hash值和key值是否相同 Node<K,V> e; K k; if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p;//相同则赋值给新结点 else if (p instanceof TreeNode)//不相同,则需要遍历链表或者红黑树(这里判断是否是红黑树) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//是红黑树,则调用增加树结点的函数putTreeVal() else {//是链表,则进行链表的遍历 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) {// 如果在链表中没有找到相同key的元素,则在链表尾端添加元素,添加后检测是否需要树化 p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); //树化 break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//在链表中找到相同key值的元素,直接停止遍历即可 break; p = e; } } if (e != null) { // 这个if语句在存在相同key情况(e==null说明未找到相同key值的结点)下,根据参数onlyIfAbsent来判断是否需要更换value值 V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount;//操作数增加 if (++size > threshold)//如果增加后元素个数大于阈值,则调用resize()扩容 resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
功能:扩容函数
逻辑:
final Node<K, V>[] resize() { Node<K, V>[] oldTab = table; // 旧容量、旧扩容门槛的获取 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { // 达到了最大容量,则不再进行扩容 threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) // 如果旧容量的两倍小于最大容量并且旧容量大于默认初始容量(16),则容量扩大为两部,扩容门槛也扩大为两倍 newThr = oldThr << 1; // double threshold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold // 使用非默认构造方法,如果旧容量为0且旧扩容门槛大于0,则把新容量赋值为旧门槛 newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults // 调用默认构造方法创建的 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int) (DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } if (newThr == 0) { // 如果新扩容门槛为0,则计算为容量*装载因子,但不能超过最大容量 float ft = (float) newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float) MAXIMUM_CAPACITY ? (int) ft : Integer.MAX_VALUE); } // 赋值扩容门槛为新门槛 threshold = newThr; // 新建一个新容量的数组 @SuppressWarnings({"rawtypes", "unchecked"}) Node<K, V>[] newTab = (Node<K, V>[]) new Node[newCap]; // 把桶赋值为新数组 table = newTab; // 如果旧数组不为空,则搬移元素 if (oldTab != null) { // 遍历旧数组 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K, V> e; // 如果桶中第一个元素不为空,赋值给e if ((e = oldTab[j]) != null) { // 清空旧桶,便于GC回收 oldTab[j] = null; // 如果这个桶中只有一个元素,则计算它在新桶中的位置并把它搬移到新桶中 // 因为每次都扩容两倍,所以这里的第一个元素搬移到新桶的时候新桶肯定还没有元素 if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) // 如果第一个元素是树节点,则把这颗树打散成两颗树插入到新桶中去 ((TreeNode<K, V>) e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order // 如果这个链表不止一个元素且不是一颗树 // 则分化成两个链表插入到新的桶中去 // 比如,假如原来容量为4,3、7、11、15这四个元素都在三号桶中 // 现在扩容到8,则3和11还是在三号桶,7和15要搬移到七号桶中去 // 也就是分化成了两个链表 Node<K, V> loHead = null, loTail = null; Node<K, V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K, V> next; do { next = e.next; // (e.hash & oldCap) == 0的元素放在低位链表中 // 比如,3 & 4 == 0 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else { // (e.hash & oldCap) != 0的元素放在高位链表中 // 比如,7 & 4 != 0 if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); // 遍历完成分化成两个链表了 // 低位链表在新桶中的位置与旧桶一样(即3和11还在三号桶中) if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } // 高位链表在新桶中的位置正好是原来的位置加上旧容量(即7和15搬移到七号桶了) if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
功能:往红黑树中添加元素
逻辑:
(1)寻找根节点;
(2)从根节点开始查找;
(3)比较hash值及key值,如果都相同,直接返回,在putVal()方法中决定是否要替换value值;
(4)根据hash值及key值确定在树的左子树还是右子树查找,找到了直接返回;
(5)如果最后没有找到则在树的相应位置插入元素,并做平衡
final TreeNode<K, V> putTreeVal(HashMap<K, V> map, Node<K, V>[] tab, int h, K k, V v) { Class<?> kc = null; // 标记是否找到这个key的节点 boolean searched = false; // 找到树的根节点 TreeNode<K, V> root = (parent != null) ? root() : this; // 从树的根节点开始遍历 for (TreeNode<K, V> p = root; ; ) { // dir=direction,标记是在左边还是右边 // ph=p.hash,当前节点的hash值 int dir, ph; // pk=p.key,当前节点的key值 K pk; if ((ph = p.hash) > h) { // 当前hash比目标hash大,说明在左边 dir = -1; } else if (ph < h) // 当前hash比目标hash小,说明在右边 dir = 1; else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk))) // 两者hash相同且key相等,说明找到了节点,直接返回该节点 // 回到putVal()中判断是否需要修改其value值 return p; else if ((kc == null && // 如果k是Comparable的子类则返回其真实的类,否则返回null (kc = comparableClassFor(k)) == null) || // 如果k和pk不是同样的类型则返回0,否则返回两者比较的结果 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) { // 这个条件表示两者hash相同但是其中一个不是Comparable类型或者两者类型不同 // 比如key是Object类型,这时可以传String也可以传Integer,两者hash值可能相同 // 在红黑树中把同样hash值的元素存储在同一颗子树,这里相当于找到了这颗子树的顶点 // 从这个顶点分别遍历其左右子树去寻找有没有跟待插入的key相同的元素 if (!searched) { TreeNode<K, V> q, ch; searched = true; // 遍历左右子树找到了直接返回 if (((ch = p.left) != null && (q = ch.find(h, k, kc)) != null) || ((ch = p.right) != null && (q = ch.find(h, k, kc)) != null)) return q; } // 如果两者类型相同,再根据它们的内存地址计算hash值进行比较 dir = tieBreakOrder(k, pk); } TreeNode<K, V> xp = p; if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) { // 如果最后确实没找到对应key的元素,则新建一个节点 Node<K, V> xpn = xp.next; TreeNode<K, V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn); if (dir <= 0) xp.left = x; else xp.right = x; xp.next = x; x.parent = x.prev = xp; if (xpn != null) ((TreeNode<K, V>) xpn).prev = x; // 插入树节点后平衡 // 把root节点移动到链表的第一个节点 moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x)); return null; } } }
功能:链表长度大于等于8后判断是否需要树化
final void treeifyBin(Node<K, V>[] tab, int hash) { int n, index; Node<K, V> e; //如果桶数量小于64,直接扩容而不用树化 if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) resize();//选择扩容 else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { TreeNode<K, V> hd = null, tl = null; do {//遍历换成树节点 TreeNode<K, V> p = replacementTreeNode(e, null); if (tl == null) hd = p; else { p.prev = tl; tl.next = p; } tl = p; } while ((e = e.next) != null); if ((tab[index] = hd) != null) hd.treeify(tab);//树化函数 } }
功能:树化函数
逻辑:
(1)从链表的第一个元素开始遍历;
(2)将第一个元素作为根节点;
(3)其它元素依次插入到红黑树中,再做平衡;
(4)将根节点移到链表第一元素的位置(因为平衡的时候根节点会改变);
final void treeify(Node<K, V>[] tab) { TreeNode<K, V> root = null; for (TreeNode<K, V> x = this, next; x != null; x = next) { next = (TreeNode<K, V>) x.next; x.left = x.right = null; // 第一个元素作为根节点且为黑节点,其它元素依次插入到树中再做平衡 if (root == null) { x.parent = null; x.red = false; root = x; } else { K k = x.key; int h = x.hash; Class<?> kc = null; // 从根节点查找元素插入的位置 for (TreeNode<K, V> p = root; ; ) { int dir, ph; K pk = p.key; if ((ph = p.hash) > h) dir = -1; else if (ph < h) dir = 1; else if ((kc == null && (kc = comparableClassFor(k)) == null) || (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) dir = tieBreakOrder(k, pk); // 如果最后没找到元素,则插入 TreeNode<K, V> xp = p; if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) { x.parent = xp; if (dir <= 0) xp.left = x; else xp.right = x; // 插入后平衡,默认插入的是红节点,在balanceInsertion()方法里 root = balanceInsertion(root, x); break; } } } } // 把根节点移动到链表的头节点,因为经过平衡之后原来的第一个元素不一定是根节点了 moveRootToFront(tab, root); }
功能:获取key对应的value
逻辑:
1)计算key的hash值;
(2)找到key所在的桶及其第一个元素;
(3)如果第一个元素的key等于待查找的key,直接返回;
(4)如果第一个元素是树节点就按树的方式来查找,否则按链表方式查找;
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; // 如果桶的数量大于0并且待查找的key所在的桶的第一个元素不为空 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // 检查第一个元素是不是要查的元素,如果是直接返回 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { // 如果第一个元素是树节点,则按树的方式查找 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K, V>) first).getTreeNode(hash, key); // 否则就遍历整个链表查找该元素 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
功能:根据hash值查找元素
final TreeNode<K, V> getTreeNode(int h, Object k) { // 从树的根节点开始查找 return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null); } final TreeNode<K, V> find(int h, Object k, Class<?> kc) { TreeNode<K, V> p = this; do { int ph, dir; K pk; TreeNode<K, V> pl = p.left, pr = p.right, q; if ((ph = p.hash) > h) // 左子树 p = pl; else if (ph < h) // 右子树 p = pr; else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk))) // 找到了直接返回 return p; else if (pl == null) // hash相同但key不同,左子树为空查右子树 p = pr; else if (pr == null) // 右子树为空查左子树 p = pl; else if ((kc != null || (kc = comparableClassFor(k)) != null) && (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0) // 通过compare方法比较key值的大小决定使用左子树还是右子树 p = (dir < 0) ? pl : pr; else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null) // 如果以上条件都不通过,则尝试在右子树查找 return q; else // 都没找到就在左子树查找 p = pl; } while (p != null); return null; }
参考文章:链接
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