JDK1.8 HashMap源码分析

JDK1.8  HashMap源码分析

一、HashMap概述

在JDK1.8之前，HashMap采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，HashMap采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

下图中代表jdk1.8之前的hashmap结构，左边部分即代表哈希表，也称为哈希数组，数组的每个元素都是一个单链表的头节点，链表是用来解决冲突的，如果不同的key映射到了数组的同一位置处，就将其放入单链表中。（此图借用网上的图）

图一、jdk1.8之前hashmap结构图

 

jdk1.8之前的hashmap都采用上图的结构，都是基于一个数组和多个单链表，hash值冲突的时候，就将对应节点以链表的形式存储。如果在一个链表中查找其中一个节点时，将会花费O（n）的查找时间，会有很大的性能损失。到了jdk1.8，当同一个hash值的节点数不小于8时，不再采用单链表形式存储，而是采用红黑树，如下图所示（此图是借用的图）

图二、jdk1.8 hashmap结构图

二、重要的field

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1. //table就是存储Node类的数组，就是对应上图中左边那一栏，  
2.   /** 
3.      * The table, initialized on first use, and resized as 
4.      * necessary. When allocated, length is always a power of two. 
5.      * (We also tolerate length zero in some operations to allow 
6.      * bootstrapping mechanics that are currently not needed.) 
7.   */  
8. transient Node<K,V>[] table;  
9.       
10. /** 
11.      * The number of key-value mappings contained in this map. 
12. *  记录hashmap中存储键-值对的数量 
13.   */  
14. transient int size;  
15.   
16. /** 
17.   * hashmap结构被改变的次数，fail-fast机制 
18.   */  
19. transient int modCount;  
20.   
21.     /** 
22.      * The next size value at which to resize (capacity * load factor). 
23.      * 扩容的门限值，当size大于这个值时，table数组进行扩容 
24.      */  
25.     int threshold;  
26.   
27.     /** 
28.      * The load factor for the hash table. 
29.      * 
30.      */  
31.  float loadFactor;  
32. /** 
33.      * The default initial capacity - MUST be a power of two. 
34. * 默认初始化数组大小为16 
35.      */  
36.     static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16  
37.   
38.     /** 
39.      * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified 
40.      * by either of the constructors with arguments. 
41.      * MUST be a power of two <= 1<<30. 
42.      */  
43.     static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;  
44.   
45.     /** 
46.      * The load factor used when none specified in constructor. 
47. * 默认装载因子， 
48.      */  
49.     static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;  
50.   
51.     /** 
52.      * The bin count threshold for using a tree rather than list for a 
53.      * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a 
54.      * bin with at least this many nodes. The value must be greater 
55.      * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in 
56.      * tree removal about conversion back to plain bins upon 
57.      * shrinkage. 
58. * 这是链表的最大长度，当大于这个长度时，链表转化为红黑树 
59.      */  
60.     static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;  
61.   
62.     /** 
63.      * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a 
64.      * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at 
65.      * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal. 
66.      */  
67.     static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;  
68.   
69.     /** 
70.      * The smallest table capacity for which bins may be treeified. 
71.      * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.) 
72.      * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts 
73.      * between resizing and treeification thresholds. 
74.      */  
75.     static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;  

 

三、构造函数

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1. //可以自己指定初始容量和装载因子  
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.         //重新定义了扩容的门限  
13.         this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);  
14. }  
15.   
16. /** 
17.      * Returns a power of two size for the given target capacity. 
18.      */  
19.     static final int tableSizeFor(int cap) {  
20.         int n = cap - 1;  
21.         //先移位再或运算，最终保证返回值是2的整数幂  
22.         n |= n >>> 1;  
23.         n |= n >>> 2;  
24.         n |= n >>> 4;  
25.         n |= n >>> 8;  
26.         n |= n >>> 16;  
27.         return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;  
28.     }  
29.   
30.     /** 
31.      * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial 
32.      * capacity and the default load factor (0.75). 
33.      * 
34.      * @param  initialCapacity the initial capacity. 
35.      * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative. 
36.      */  
37. //当知道所要构建的数据容量的大小时，最好直接指定大小，提高效率  
38.     public HashMap(int initialCapacity) {  
39.         this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  
40.     }  
41.   
42.     /** 
43.      * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity 
44.      * (16) and the default load factor (0.75). 
45.      */  
46.     public HashMap() {  
47.         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted  
48.     }  
49.   
50.     //将map直接放入hashmap中  
51.     public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {  
52.         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;  
53.         putMapEntries(m, false);  
54.     }  
55.   
56. final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {  
57.         int s = m.size();  
58.         if (s > 0) {  
59.             if (table == null) { // pre-size  
60.                 float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;  
61.                 int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?  
62.                          (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);  
63.                 if (t > threshold)  
64.                     threshold = tableSizeFor(t);  
65.             }  
66.             else if (s > threshold)  
67.                 resize();  
68.             for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {  
69.                 K key = e.getKey();  
70.                 V value = e.getValue();  
71.                 putVal(hash(key), key, value, false, evict);  
72.             }  
73.         }  
74. }  
75.   
76.   
77. /** 
78.      * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for 
79.      * TreeNode subclass, and in LinkedMyHashMap for its Entry subclass.) 
80.      */  
81.     在hashMap的结构图中，hash数组就是用Node型数组实现的，许多Node类通过next组成链表，key、value实际存储在Node内部类中。  
82.     public static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
83.         final int hash;  
84.         final K key;  
85.         V value;  
86.         Node<K,V> next;  
87.   
88.         Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {  
89.             this.hash = hash;  
90.             this.key = key;  
91.             this.value = value;  
92.             this.next = next;  
93.         }  
94.   
95.         public final K getKey()        { return key; }  
96.         public final V getValue()      { return value; }  
97.         public final String toString() { return key + "=" + value; }  
98.   
99.         public final int hashCode() {  
100.             return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);  
101.         }  
102.   
103.         public final V setValue(V newValue) {  
104.             V oldValue = value;  
105.             value = newValue;  
106.             return oldValue;  
107.         }  
108.   
109.         public final boolean equals(Object o) {  
110.             if (o == this)  
111.                 return true;  
112.             if (o instanceof Map.Entry) {  
113.                 Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;  
114.                 if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&  
115.                     Objects.equals(value, e.getValue()))  
116.                     return true;  
117.             }  
118.             return false;  
119.         }  
120.     }  

 

四、重要的方法分析

1.put方法

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1. /** 
2.      * Associates the specified value with the specified key in thismap. 
3.      * If the map previously contained a mapping for the key, the old 
4.      * value is replaced. 
5.      * 
6. */  
7. public V put(K key, V value) {  
8.         return putVal(hash(key), key, value, false, true);  
9.     }  
10. static final int hash(Object key) {  
11.         int h;  
12.         //key的值为null时，hash值返回0，对应的table数组中的位置是0  
13.         return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);  
14.     }  
15.   
16. /** 
17.      * Implements Map.put and related methods 
18.      * 
19.      * @param hash hash for key 
20.      * @param key the key 
21.      * @param value the value to put 
22.      * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 
23.      * @param evict if false, the table is in creation mode. 
24.      * @return previous value, or null if none 
25.  */  
26. final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,  
27.                    boolean evict) {  
28.         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;  
29. //先将table赋给tab，判断table是否为null或大小为0，若为真，就调用resize（）初始化  
30.         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)  
31.             n = (tab = resize()).length;  
32. //通过i = (n - 1) & hash得到table中的index值，若为null，则直接添加一个newNode  
33.         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)  
34.             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);  
35.         else {  
36.         //执行到这里，说明发生碰撞，即tab[i]不为空，需要组成单链表或红黑树  
37.             Node<K,V> e; K k;  
38.             if (p.hash == hash &&  
39.                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
40. //此时p指的是table[i]中存储的那个Node，如果待插入的节点中hash值和key值在p中已经存在，则将p赋给e  
41.                 e = p;  
42. //如果table数组中node类的hash、key的值与将要插入的Node的hash、key不吻合，就需要在这个node节点链表或者树节点中查找。  
43.             else if (p instanceof TreeNode)  
44.             //当p属于红黑树结构时，则按照红黑树方式插入  
45.                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);  
46.             else {  
47.     //到这里说明碰撞的节点以单链表形式存储，for循环用来使单链表依次向后查找  
48.                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {  
49.         //将p的下一个节点赋给e，如果为null，创建一个新节点赋给p的下一个节点  
50.                     if ((e = p.next) == null) {  
51.                         p.next = newNode(hash, key, value, null);  
52.         //如果冲突节点达到8个，调用treeifyBin(tab, hash)，这个treeifyBin首先回去判断当前hash表的长度，如果不足64的话，实际上就只进行resize，扩容table，如果已经达到64，那么才会将冲突项存储结构改为红黑树。  
53.   
54.                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st  
55.                             treeifyBin(tab, hash);  
56.                         break;  
57.                     }  
58. //如果有相同的hash和key，则退出循环  
59.                     if (e.hash == hash &&  
60.                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
61.                         break;  
62.                     p = e;//将p调整为下一个节点  
63.                 }  
64.             }  
65. //若e不为null，表示已经存在与待插入节点hash、key相同的节点，hashmap后插入的key值对应的value会覆盖以前相同key值对应的value值，就是下面这块代码实现的  
66.             if (e != null) { // existing mapping for key  
67.                 V oldValue = e.value;  
68.         //判断是否修改已插入节点的value  
69.                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)  
70.                     e.value = value;  
71.                 afterNodeAccess(e);  
72.                 return oldValue;  
73.             }  
74.         }  
75.         ++modCount;//插入新节点后，hashmap的结构调整次数+1  
76.         if (++size > threshold)  
77.             resize();//HashMap中节点数+1，如果大于threshold，那么要进行一次扩容  
78.         afterNodeInsertion(evict);  
79.         return null;  
80.     }  

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1.   

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1. 2.扩容函数resize（）分析  

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1. /** 
2.      * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in 
3.      * accord with initial capacity target held in field threshold. 
4.      * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the 
5.      * elements from each bin must either stay at same index, or move 
6.      * with a power of two offset in the new table. 
7.      * 
8.      * @return the table 
9.      */  
10.     final Node<K,V>[] resize() {  
11.         Node<K,V>[] oldTab = table;//定义临时Node数组型变量，作为hash table  
12.         //读取hash table的长度  
13.         int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;  
14.         int oldThr = threshold;//读取扩容门限  
15.         int newCap, newThr = 0;//初始化新的table长度和门限值  
16.         if (oldCap > 0) {  
17.             //执行到这里，说明table已经初始化  
18.             if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {  
19.                 threshold = Integer.MAX_VALUE;  
20.                 return oldTab;  
21.             }  
22.             //二倍扩容，容量和门限值都加倍  
23.             else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&  
24.                      oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)  
25.                 newThr = oldThr << 1; // double threshold  
26.         }  
27.         else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold  
28.         //用构造器初始化了门限值，将门限值直接赋给新table容量  
29.             newCap = oldThr;  
30.         else {                
31.  // zero initial threshold signifies using defaults  
32. //老的table容量和门限值都为0，初始化新容量，新门限值，在调用hashmap（）方式构造容器时，就采用这种方式初始化  
33.             newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;  
34.             newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);  
35.         }  
36.         if (newThr == 0) {  
37.             //如果门限值为0，重新设置门限  
38.             float ft = (float)newCap * loadFactor;  
39.             newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?  
40.                       (int)ft : Integer.MAX_VALUE);  
41.         }  
42.         threshold = newThr;//更新新门限值为threshold  
43.         @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})  
44.        //初始化新的table数组  
45.         Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];  
46.         table = newTab;  
47.         //当原来的table不为null时，需要将table[i]中的节点迁移  
48.         if (oldTab != null) {  
49.             for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {  
50.                 Node<K,V> e;  
51.                 //取出链表中第一个节点保存，若不为null，继续下面操作  
52.                 if ((e = oldTab[j]) != null) {  
53.                     oldTab[j] = null;//主动释放  
54.                     if (e.next == null)  
55.     //链表中只有一个节点，没有后续节点，则直接重新计算在新table中的index，并将此节点存储到新table对应的index位置处  
56.                         newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;  
57.                     else if (e instanceof TreeNode)  
58.                     //若e是红黑树节点，则按红黑树移动  
59.                         ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);  
60.                     else { // preserve order  
61.                     //迁移单链表中的每个节点  
62.                         Node<K,V> loHead = null, loTail = null;  
63.                         Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;  
64.                         Node<K,V> next;  
65.                         do {  
66. //下面这段暂时没有太明白，通过e.hash & oldCap将链表分为两队，参考知乎上的一段解释  
67. /** 
68. * 把链表上的键值对按hash值分成lo和hi两串，lo串的新索引位置与原先相同[原先位 
69. * j]，hi串的新索引位置为[原先位置j+oldCap]； 
70. * 链表的键值对加入lo还是hi串取决于 判断条件if ((e.hash & oldCap) == 0)，因为* capacity是2的幂，所以oldCap为10...0的二进制形式，若判断条件为真，意味着 
71. * oldCap为1的那位对应的hash位为0，对新索引的计算没有影响（新索引 
72. * =hash&(newCap-*1)，newCap=oldCap<<2）；若判断条件为假，则 oldCap为1的那位* 对应的hash位为1， 
73. * 即新索引=hash&( newCap-1 )= hash&( (oldCap<<2) - 1)，相当于多了10...0， 
74. * 即 oldCap 
75.  
76. * 例子： 
77. * 旧容量=16，二进制10000；新容量=32，二进制100000 
78. * 旧索引的计算： 
79. * hash = xxxx xxxx xxxy xxxx 
80. * 旧容量-1 1111 
81. * &运算 xxxx 
82. * 新索引的计算： 
83. * hash = xxxx xxxx xxxy xxxx 
84. * 新容量-1 1 1111 
85. * &运算 y xxxx 
86. * 新索引 = 旧索引 + y0000，若判断条件为真，则y=0(lo串索引不变)，否则y=1(hi串 
87. * 索引=旧索引+旧容量10000) 
88.    */  
89.   
90.                             next = e.next;  
91.                             if ((e.hash & oldCap) == 0) {  
92.                                 if (loTail == null)  
93.                                     loHead = e;  
94.                                 else  
95.                                     loTail.next = e;  
96.                                 loTail = e;  
97.                             }  
98.                             else {  
99.                                 if (hiTail == null)  
100.                                     hiHead = e;  
101.                                 else  
102.                                     hiTail.next = e;  
103.                                 hiTail = e;  
104.                             }  
105.                         } while ((e = next) != null);  
106.                         if (loTail != null) {  
107.                             loTail.next = null;  
108.                             newTab[j] = loHead;  
109.                         }  
110.                         if (hiTail != null) {  
111.                             hiTail.next = null;  
112.                             newTab[j + oldCap] = hiHead;  
113.                         }  
114.                     }  
115.                 }  
116.             }  
117.         }  
118.         return newTab;  
119.     }  

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1. 3.get方法  

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1. /** 
2.      * Returns the value to which the specified key is mapped, 
3.      * or {@code null} if this map contains no mapping for the key. 
4.      * 
5.      * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key 
6.      * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null : 
7.      * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise 
8.      * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.) 
9.      * 
10.      * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> 
11.      * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also 
12.      * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}. 
13.      * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to 
14.      * distinguish these two cases. 
15.      * 
16.      * @see #put(Object, Object) 
17.      */  
18.     public V get(Object key) {  
19.         Node<K,V> e;  
20.         return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;  
21.     }  
22.   
23.     /** 
24.      * Implements Map.get and related methods 
25.      * 
26.      * @param hash hash for key 
27.      * @param key the key 
28.      * @return the node, or null if none 
29.      */  
30.     final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {  
31.         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;  
32.         if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&  
33.             (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {  
34.             if (first.hash == hash && // always check first node  
35.                 ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
36.                 return first;  
37.             if ((e = first.next) != null) {  
38.            //分为红黑树和链表查找两种  
39.                 if (first instanceof TreeNode)  
40.                     return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);  
41.                 do {  
42.                     if (e.hash == hash &&  
43.                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
44.                         return e;  
45.                 } while ((e = e.next) != null);  
46.             }  
47.         }  
48.         return null;  
49.     }  
50.   
51.   
52.   
53. /** 
54.      * Returns <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the 
55.      * specified key. 
56.      * 
57.      * @param   key   The key whose presence in this map is to be tested 
58.      * @return <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the specified 
59.      * key. 
60.      */  
61.     public boolean containsKey(Object key) {  
62.         return getNode(hash(key), key) != null;  
63.     }  

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1. 4.红黑树  

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1. /** 
2.      * Entry for Tree bins. Extends LinkedMyHashMap.Entry (which in turn 
3.      * extends Node) so can be used as extension of either regular or 
4.      * linked node. 
5.      */  
6.     static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {  
7.         TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links  
8.         TreeNode<K,V> left;  
9.         TreeNode<K,V> right;  
10.         TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion  
11.         boolean red;  
12.         TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {  
13.             super(hash, key, val, next);  
14.         }  
15.   
16.         //红黑树暂时还没有仔细研究，红黑树相关的增删改查操作后期再认真分析。  

五、总结

仔细分析hashmap源码后，可以掌握很多常用的数据结构的用法。本次笔记只是记录了hashmap几个常用的方法，像红黑树、迭代器等还没有仔细研究，后面有时间会认真分析。

网友文章参考http://www.cnblogs.com/ToBeAProgrammer/p/4787761.html

http://wenku.baidu.com/link?url=AHcaJRmJofOxRbX6L8vKoYSW59Tl-GJexJjNUdEvHuAwDgRtPfCzHhVTO21v7BV0V-OTp7D0BC3sh2jdctV9RYnwhM_6w8SlZ9Np-cago-7