【Java中HashMap底层实现原理】_javahashmap底层实现原理

---

一、实现原理

首先有一个每个元素都是链表（可能表述不准确）的数组，当添加一个元素（key-value）时，就首先计算元素key的hash值，以此确定插入数组中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了，这时就添加到同一hash值的元素的后面，他们在数组的同一位置，但是形成了链表，同一各链表上的Hash值是相同的，所以说数组存放的是链表。而当链表长度太长时，链表就转换为红黑树，这样大大提高了查找的效率。
当链表数组的容量超过初始容量的0.75时，再散列将链表数组扩大2倍，把原链表数组的搬移到新的数组中
即HashMap的原理图是：

二、涉及到的数据结构

1.位桶数组

transient Node<k,v>[] table;//存储（位桶）的数组</k,v>

2.数组元素Node<K,V>实现了Entry接口

//Node是单向链表，它实现了Map.Entry接口
static class Node<k,v> implements Map.Entry<k,v> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<k,v> next;
    //构造函数Hash值 键 值 下一个节点
    Node(int hash, K key, V value, Node<k,v> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    public final K getKey()        { return key; }
    public final V getValue()      { return value; }
    public final String toString() { return key + = + value; }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }
    //判断两个node是否相等,若key和value都相等，返回true。可以与自身比较为true
    public final boolean equals(Object o) {
        if (o == this)
            return true;
        if (o instanceof Map.Entry) {
            Map.Entry<!--?,?--> e = (Map.Entry<!--?,?-->)o;
            if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                Objects.equals(value, e.getValue()))
                return true;
        }
        return false;
    }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39

3.红黑树

//红黑树
static final class TreeNode<k,v> extends LinkedHashMap.Entry<k,v> {
    TreeNode<k,v> parent;  // 父节点
    TreeNode<k,v> left; //左子树
    TreeNode<k,v> right;//右子树
    TreeNode<k,v> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;    //颜色属性
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<k,v> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }

    //返回当前节点的根节点
    final TreeNode<k,v> root() {
        for (TreeNode<k,v> r = this, p;;) {
            if ((p = r.parent) == null)
                return r;
            r = p;
        }
    }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

---

三、HashMap的存取机制

1.HashMap如何getValue值:

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
      /**
     * Implements Map.get and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab;//Entry对象数组
    Node<K,V> first,e; //在tab数组中经过散列的第一个位置
    int n;
    K k;
    /*找到插入的第一个Node，方法是hash值和n-1相与，tab[(n - 1) & hash]*/
    //也就是说在一条链上的hash值相同的
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
    /*检查第一个Node是不是要找的Node*/
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//判断条件是hash值要相同，key值要相同
                return first;
      /*检查first后面的node*/
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                /*遍历后面的链表，找到key值和hash值都相同的Node*/
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37

get(key)方法时获取key的hash值，计算hash&(n-1)得到在链表数组中的位置first=tab[hash&(n-1)],先判断first的key是否与参数key相等，不等就遍历后面的链表找到相同的key值返回对应的Value值即可

2.HashMap如何put(key，value):

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
     /**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
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)
            n = (tab = resize()).length;
    /*如果table的在（n-1）&hash的值是空，就新建一个节点插入在该位置*/
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    /*表示有冲突,开始处理冲突*/
        else {
            Node<K,V> e;
        K k;
    /*检查第一个Node，p是不是要找的值*/
            if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        /*指针为空就挂在后面*/
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
               //如果冲突的节点数已经达到8个，看是否需要改变冲突节点的存储结构，
　　　　　　　　　　　　//treeifyBin首先判断当前hashMap的长度，如果不足64，只进行
                        //resize，扩容table，如果达到64，那么将冲突的存储结构为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
        /*如果有相同的key值就结束遍历*/
                    if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
    /*就是链表上有相同的key值*/
            if (e != null) { // existing mapping for key，就是key的Value存在
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;//返回存在的Value值
            }
        }
        ++modCount;
     /*如果当前大小大于门限，门限原本是初始容量*0.75*/
        if (++size > threshold)
            resize();//扩容两倍
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66

下面简单说下添加键值对put(key,value)的过程：
1，判断键值对数组tab[]是否为空或为null，否则以默认大小resize()；
2，根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果tab[i]==null，直接新建节点添加，否则转入3
3，判断当前数组中处理hash冲突的方式为链表还是红黑树(check第一个节点类型即可),分别处理

四.HasMap的扩容机制resize():

构造hash表时，如果不指明初始大小，默认大小为16（即Node数组大小16），如果Node[]数组中的元素达到（填充比*Node.length）重新调整HashMap大小 变为原来2倍大小,扩容很耗时

/**
    * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
    * accord with initial capacity target held in field threshold.
    * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
    * elements from each bin must either stay at same index, or move
    * with a power of two offset in the new table.
    *
    * @return the table
    */
   final Node<K,V>[] resize() {
       Node<K,V>[] oldTab = table;
       int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
       int oldThr = threshold;
       int newCap, newThr = 0;

/*如果旧表的长度不是空*/
       if (oldCap > 0) {
           if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
               threshold = Integer.MAX_VALUE;
               return oldTab;
           }
/*把新表的长度设置为旧表长度的两倍，newCap=2*oldCap*/
           else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                    oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
      /*把新表的门限设置为旧表门限的两倍，newThr=oldThr*2*/
               newThr = oldThr << 1; // double threshold
       }
    /*如果旧表的长度的是0，就是说第一次初始化表*/
       else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
           newCap = oldThr;
       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;//新表长度乘以加载因子
           newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                     (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
       }
       threshold = newThr;
       @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
/*下面开始构造新表，初始化表中的数据*/
       Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
       table = newTab;//把新表赋值给table
       if (oldTab != null) {//原表不是空要把原表中数据移动到新表中
           /*遍历原来的旧表*/
           for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
               Node<K,V> e;
               if ((e = oldTab[j]) != null) {
                   oldTab[j] = null;
                   if (e.next == null)//说明这个node没有链表直接放在新表的e.hash & (newCap - 1)位置
                       newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                   else if (e instanceof TreeNode)
                       ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
/*如果e后边有链表,到这里表示e后面带着个单链表，需要遍历单链表，将每个结点重*/
                   else { // preserve order保证顺序
                新计算在新表的位置，并进行搬运
                       Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                       Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                       Node<K,V> next;

                       do {
                           next = e.next;//记录下一个结点
          //新表是旧表的两倍容量，实例上就把单链表拆分为两队，
　　　　　　　　　　　　　//e.hash&oldCap为偶数一队，e.hash&oldCap为奇数一对
                           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) {//lo队不为null，放在新表原位置
                           loTail.next = null;
                           newTab[j] = loHead;
                       }
                       if (hiTail != null) {//hi队不为null，放在新表j+oldCap位置
                           hiTail.next = null;
                           newTab[j + oldCap] = hiHead;
                       }
                   }
               }
           }
       }
       return newTab;
   }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98

总结

本文简单介绍了hashmap的扩容机制，此处是学习java基础部分的重难点之一，学完之后要记得及时巩固，以免遗忘，在今后的面试和工作中这里也是经常要用到的地方。