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c++ map底层实现原理_HashMap 底层实现原理是什么？JDK8 做了哪些优化？

作者：菜鸟追梦旅行 | 2024-03-13 02:35:54

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map数组链表底层cpp

前言

本文主要介绍HashMap底层实现原理以及JDK8做了哪些优化包括加载因子为什么是0.75以及HashMap中三个重要方法等等，希望对大家有帮助。

典型回答

在 JDK 1.7 中 HashMap 是以数组加链表的形式组成的，JDK 1.8 之后新增了红黑树的组成结构，当链表大于 8 并且容量大于 64 时，链表结构会转换成红黑树结构，它的组成结构如下图所示：

数组中的元素我们称之为哈希桶，它的定义如下：


static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    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;
    }
 
    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;
    }
 
    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;
    }
}

可以看出每个哈希桶中包含了四个字段：hash、key、value、next，其中 next 表示链表的下一个节点。

JDK 1.8 之所以添加红黑树是因为一旦链表过长，会严重影响 HashMap 的性能，而红黑树具有快速增删改查的特点，这样就可以有效的解决链表过长时操作比较慢的问题

考点分析

JDK 1.8 HashMap 扩容时做了哪些优化？

HashMap 源码中包含了以下几个属性：


// HashMap 初始化长度
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
 
// HashMap 最大长度
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 1073741824
 
// 默认的加载因子 (扩容因子)
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 
// 当链表长度大于此值且容量大于 64 时
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
 
// 转换链表的临界值，当元素小于此值时，会将红黑树结构转换成链表结构
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
 
// 最小树容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64

加载因子为什么是 0.75？

加载因子也叫扩容因子或负载因子，用来判断什么时候进行扩容的，假如加载因子是 0.5，HashMap 的初始化容量是 16，那么当 HashMap 中有 16*0.5=8 个元素时，HashMap 就会进行扩容。

那加载因子为什么是 0.75 而不是 0.5 或者 1.0 呢？

这其实是出于容量和性能之间平衡的结果：

当加载因子设置比较大的时候，扩容的门槛就被提高了，扩容发生的频率比较低，占用的空间会比较小，但此时发生 Hash 冲突的几率就会提升，因此需要更复杂的数据结构来存储元素，这样对元素的操作时间就会增加，运行效率也会因此降低；
而当加载因子值比较小的时候，扩容的门槛会比较低，因此会占用更多的空间，此时元素的存储就比较稀疏，发生哈希冲突的可能性就比较小，因此操作性能会比较高。

所以综合了以上情况就取了一个 0.5 到 1.0 的平均数 0.75 作为加载因子。

HashMap 源码中三个重要方法：查询、新增和数据扩容。

查询


public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    // 对 key 进行哈希操作
    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;
    // 非空判断
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 判断第一个元素是否是要查询的元素
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 下一个节点非空判断
        if ((e = first.next) != null) {
            // 如果第一节点是树结构，则使用 getTreeNode 直接获取相应的数据
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do { // 非树结构，循环节点判断
                // hash 相等并且 key 相同，则返回此节点
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

从以上源码可以看出，当哈希冲突时我们需要通过判断 key 值是否相等，才能确认此元素是不是我们想要的元素。

HashMap 第二个重要方法：新增方法，源码如下：


public V put(K key, V value) {
    // 对 key 进行哈希操作
    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;
    // 哈希表为空则创建表
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 根据 key 的哈希值计算出要插入的数组索引 i
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 如果 table[i] 等于 null，则直接插入
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 如果 key 已经存在了，直接覆盖 value
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 如果 key 不存在，判断是否为红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 红黑树直接插入键值对
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 为链表结构，循环准备插入
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 下一个元素为空时
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 转换为红黑树进行处理
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //  key 已经存在直接覆盖 value
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    // 超过最大容量，扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

新增方法的执行流程，如下图所示：

HashMap 第三个重要的方法是扩容方法，源码如下：


final Node<K,V>[] resize() {
    // 扩容前的数组
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 扩容前的数组的大小和阈值
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    // 预定义新数组的大小和阈值
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        // 超过最大值就不再扩容了
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 扩大容量为当前容量的两倍，但不能超过 MAXIMUM_CAPACITY
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    // 当前数组没有数据，使用初始化的值
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        // 如果初始化的值为 0，则使用默认的初始化容量
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 如果新的容量等于 0
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr; 
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    // 开始扩容，将新的容量赋值给 table
    table = newTab;
    // 原数据不为空，将原数据复制到新 table 中
    if (oldTab != null) {
        // 根据容量循环数组，复制非空元素到新 table
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                // 如果链表只有一个，则进行直接赋值
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    // 红黑树相关的操作
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    // 链表复制，JDK 1.8 扩容优化部分
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // 原索引
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        // 原索引 + oldCap
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 将原索引放到哈希桶中
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 将原索引 + oldCap 放到哈希桶中
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

从以上源码可以看出，JDK 1.8 在扩容时并没有像 JDK 1.7 那样，重新计算每个元素的哈希值，而是通过高位运算（e.hash & oldCap）来确定元素是否需要移动，比如 key1 的信息如下：

key1.hash = 10 0000 1010
oldCap = 16 0001 0000

使用 e.hash & oldCap 得到的结果，高一位为 0，当结果为 0 时表示元素在扩容时位置不会发生任何变化，而 key 2 信息如下：

key2.hash = 10 0001 0001
oldCap = 16 0001 0000

这时候得到的结果，高一位为 1，当结果为 1 时，表示元素在扩容时位置发生了变化，新的下标位置等于原下标位置 + 原数组长度，如下图所示：

其中红色的虚线图代表了扩容时元素移动的位置。

2.HashMap 死循环分析

以 JDK 1.7 为例，假设 HashMap 默认大小为 2，原本 HashMap 中有一个元素 key(5)，我们再使用两个线程：t1 添加元素 key(3)，t2 添加元素 key(7)，当元素 key(3) 和 key(7) 都添加到 HashMap 中之后，线程 t1 在执行到 Entry<K,V> next = e.next; 时，交出了 CPU 的使用权，源码如下：


void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next; // 线程一执行此处
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

那么此时线程 t1 中的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7) ；之后线程 t2 重新 rehash 之后链表的顺序被反转，链表的位置变成了 key(5) → key(7) → key(3)，其中 “→” 用来表示下一个元素。

当 t1 重新获得执行权之后，先执行 newTalbe[i] = e 把 key(3) 的 next 设置为 key(7)，而下次循环时查询到 key(7) 的 next 元素为 key(3)，于是就形成了 key(3) 和 key(7) 的循环引用，因此就导致了死循环的发生，如下图所示：

当然发生死循环的原因是 JDK 1.7 链表插入方式为首部倒序插入，这个问题在 JDK 1.8 得到了改善，变成了尾部正序插入。

有人曾经把这个问题反馈给了 Sun 公司，但 Sun 公司认为这不是一个问题，因为 HashMap 本身就是非线程安全的，如果要在多线程下，建议使用 ConcurrentHashMap 替代，但这个问题在面试中被问到的几率依然很大，所以在这里需要特别说明一下。

****为何初始容量要是2的指数幂? 索引定位:关键****

13 ---> 16 大于13又是最靠近13的2的指数次幂的值

****效率问题****:取模运算底层最终要换算成二进制进行处理加法 > 乘法 > 除法 > 取模(运算效率) 所以要避免取余操作

而且数组还需要进行扩容，扩容就涉及到了数组数据的迁移，对于数组中原有的每个值都要重新去计算hash值，再对应到索引的位置。大大影响效率。

****使用2的原因****

如果length是2的指数次幂，有hash % length == h &(length - 1) 与运算能极大提高运算效率，如果不是2的指数次幂

16 - 1 = 15

hashcode: 1101 0010 1010 1010

length: 0000 0000 0000 1111 = 0 - 15(结果一定在0~15之间,和取模结果保持一致，在数组的范围区间之内)

结尾

本文到这里就结束了，感谢看到最后的朋友，都看到最后了，点个赞再走啊，如有不对之处还请多多指正。

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