HashMap源码深度解析

时间:2022-09-11 17:20:02

1 举栗子

先来复习一下我们常用的几个方法

public class HashMapTest {

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		HashMap<String, String> hashMap=new HashMap<>();
		//添加方法
		hashMap.put("1", "chris");
               //遍历方法1_for
		Set<String> keys=hashMap.keySet();
		for(String key:keys){
			System.out.println(key+"="+hashMap.get(key));
		}
		//遍历方法1_iterator(for和iterator实现原理相同)
                Iterator iter = map.keySet().iterator(); 
                while (iter.hasNext()) { 
                String key = iter.next(); 
                String value = map.get(key); 
                } 
		//遍历方法2_for
                Set<Entry<String, String>> entrys= hashMap.entrySet();
		for(Entry<String, String> entry:entrys){
			String key=entry.getKey();
			String value=entry.getValue();
		}
		//遍历方法2_iterator
		Iterator<Entry<String, String>> iterator=hashMap.entrySet().iterator();
		while(iterator.hasNext()){
			Map.Entry<String, String> entry=iterator.next();
			String key=entry.getKey();
			String value=entry.getValue();
		}
		//查询方法
		hashMap.get("1");
		//删除方法
		hashMap.remove("1");		
	}

}

2 HashMap类图结构

HashMap源码深度解析


3 HashMap数据结构

HashMap源码深度解析

我们知道在Java中最常用的两种结构是数组和模拟指针(引用),几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现。数组的存储方式在内存的地址是连续的,大小固定,一旦分配不能被其他引用占用。它的特点是查询快,时间复杂度是O(1),插入和删除的操作比较慢,时间复杂度是O(n),链表的存储方式是非连续的,大小不固定,特点与数组相反,插入和删除快,查询速度慢。HashMap可以说是一种折中的方案吧。


4 HashMap重要概念

HashMap源码深度解析



5 HashMap源码分析

老规矩,按照使用的顺序来分析源码

1.HashMap<String, String> hashMap=new HashMap<>();

public HashMap() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
其中默认容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 4;//android N
默认加载因子DEFAULT_LOAD_FACTOR
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//android N
构造函数有几个,但最后都会落到HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {  
        //初始容量不能<0  
        if (initialCapacity < 0)  
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "  
                    + initialCapacity);  
        //初始容量不能 > 最大容量值,HashMap的最大容量值为2^30  
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)  
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;  
        //负载因子不能 < 0  
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))  
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "  
                    + loadFactor);  
  
        // 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。  
        int capacity = 1;  
        while (capacity < initialCapacity)  
            capacity <<= 1;  
          
        this.loadFactor = loadFactor;  
        //设置HashMap的容量极限,当HashMap的容量达到该极限时就会进行扩容操作  
        threshold = (int) (capacity * loadFactor);  
        //初始化table数组  
        table = new Entry[capacity];  
        init();  
    }
其中涉及到位运算<<,,capacity <<= 1等价于capacity=capacity<<1,表示capacity左移1位
从源码中可以看出,每次新建一个HashMap时,都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
        final K key;  
        V value;  
        Entry<K,V> next;  
        final int hash;  
  
        /** 
         * Creates new entry. 
         */  
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {  
            value = v;  
            next = n;  
            key = k;  
            hash = h;  
        }  
        .......  
    }
其中Entry为HashMap的内部类,它包含了键key、值value、下一个节点next,以及hash值,这是非常重要的,正是由于Entry才构成了table数组的项为链表

2.hashMap.put("1", "chris");

先来看看put的几种分支

HashMap源码深度解析


HashMap通过键的hashCode来快速的存取元素。当不同的对象hashCode发生碰撞时,HashMap通过单链表来解决,将新元素加入链表表头,通过next指向原有的元素。

先说说大概的过程:当我们调用put存值时,HashMap首先会获取key的哈希值,通过哈希值快速找到某个存放位置,这个位置可以被称之为bucketIndex。

对于一个key,如果hashCode不同,equals一定为false,如果hashCode相同,equals不一定为true。

所以理论上,hashCode可能存在冲突的情况,也叫发生了碰撞,当碰撞发生时,计算出的bucketIndex也是相同的,这时会取到bucketIndex位置已存储的元素,最终通过equals来比较,equals方法就是哈希码碰撞时才会执行的方法,所以说HashMap很少会用到equals。HashMap通过hashCode和equals最终判断出K是否已存在,如果已存在,则使用新V值替换旧V值,并返回旧V值,如果不存在 ,则存放新的键值对<K, V>到bucketIndex位置。

下面我们来看看put的源码

public V put(K key, V value) {  
        //当key为null,调用putForNullKey方法,保存null于table第一个位置中,这是HashMap允许为null的原因  
        if (key == null)  
            return putForNullKey(value);  
        //计算key的hash值  
        int hash = hash(key.hashCode());                  ------(1)  
        //计算key hash 值在 table 数组中的位置  
        int i = indexFor(hash, table.length);             ------(2)  
        //从i出开始迭代 e,找到 key 保存的位置  
        for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
            Object k;  
            //判断该条链上是否有hash值相同的(key相同)  
            //若存在相同,则直接覆盖value,返回旧value  
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
                V oldValue = e.value;    //旧值 = 新值  
                e.value = value;  
                e.recordAccess(this);  
                return oldValue;     //返回旧值  
            }  
        }  
        //修改次数增加1  
        modCount++;  
        //将key、value添加至i位置处  
        addEntry(hash, key, value, i);  
        return null;  
    }
通过源码我们可以清晰看到HashMap保存数据的过程为:

1)首先判断key是否为null,若为null,则直接调用putForNullKey方法

private V putForNullKey(V value) {
        for (HashMapEntry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

从代码可以看出,如果key为null的值,默认就存储到table[0]开头的链表了。然后遍历table[0]的链表的每个节点Entry,如果发现其中存在节点Entry的key为null,就替换新的value,然后返回旧的value,如果没发现key等于null的节点Entry,就增加新的节点


2)计算key的hashcode(hash(key.hashCode())),再用计算的结果二次hash(indexFor(hash, table.length)),找到Entry数组的索引i,这里涉及到hash算法,最后会详细讲解


3)遍历以table[i]为头节点的链表,如果发现hash,key都相同的节点时,就替换为新的value,然后返回旧的value,只有hash相同时,循环内并没有做任何处理


4)modCount++代表修改次数,与迭代相关,在迭代篇会详细讲解


5)对于hash相同但key不相同的节点以及hash不相同的节点,就增加新的节点(addEntry())

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
        //获取bucketIndex处的Entry  
        Entry<K, V> e = table[bucketIndex];  
        //将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处,并让新的 Entry 指向原来的 Entry   
        table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);  
        //若HashMap中元素的个数超过极限了,则容量扩大两倍  
        if (size++ >= threshold)  
            resize(2 * table.length);  
    } 
这里新增加节点采用了头插法,新节点都增加到头部,新节点的next指向老节点

这里涉及到了HashMap的扩容问题,随着HashMap中元素的数量越来越多,发生碰撞的概率就越来越大,所产生的链表长度就会越来越长,这样势必会影响HashMap的速度,为了保证HashMap的效率,系统必须要在某个临界点进行扩容处理。该临界点在当HashMap中元素的数量等于table数组长度*加载因子。但是扩容是一个非常耗时的过程,因为它需要重新计算这些数据在新table数组中的位置并进行复制处理。

void resize(int newCapacity) {
        HashMapEntry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        HashMapEntry[] newTable = new HashMapEntry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }
从代码可以看出,如果大小超过最大容量就返回。否则就new 一个新的Entry数组,长度为旧的Entry数组长度的两倍。然后将旧的Entry[]复制到新的Entry[].

void transfer(HashMapEntry[] newTable) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (HashMapEntry<K,V> e : table) {
            while(null != e) {
                HashMapEntry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

在复制的时候数组的索引int i = indexFor(e.hash, newCapacity);重新参与计算


3.Iterator iter = map.keySet().iterator();

keySet()方法可以获取包含key的set集合,调用该集合的迭代器可以对key值遍历

public Set<K> keySet() {
        Set<K> ks = keySet;
        if (ks == null) {
            ks = new KeySet();
            keySet = ks;
        }
        return ks;
    }

KeySet是HashMap中的内部类,继承AbstractSet,KeySet中获取的迭代器为KeyIterator

private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
        public Iterator<K> iterator() {
            return new KeyIterator();
        }
        ......
    }
KeyIterator继承自HashIterator
private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
        public K next() {
            return nextEntry().getKey();
        }
    }
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        HashMapEntry<K,V> next;        // next entry to return
        int expectedModCount;   // For fast-fail
        int index;              // current slot
        HashMapEntry<K,V> current;     // current entry

        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            if (size > 0) { // advance to first entry
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
        }

        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }

        final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            HashMapEntry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();

            if ((next = e.next) == null) {
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            current = e;
            return e;
        }

        public void remove() {
            if (current == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Object k = current.key;
            current = null;
            HashMap.this.removeEntryForKey(k);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }

4.Iterator<Entry<String, String>> iterator=hashMap.entrySet().iterator();
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        return entrySet0();
    }
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
        Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
        return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
    }
EntrySet是HashMap内部类,继承AbstractSet,EntrySet中获取的迭代器为EntryIterator

private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
        public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
            return newEntryIterator();
        }        ......
    }
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
        return new EntryIterator();
    }
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
        public Map.Entry<K,V> next() {
            return nextEntry();
        }
    }
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        HashMapEntry<K,V> next;        // next entry to return
        int expectedModCount;   // For fast-fail
        int index;              // current slot
        HashMapEntry<K,V> current;     // current entry

        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            if (size > 0) { // advance to first entry
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
        }

        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }

        final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            HashMapEntry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();

            if ((next = e.next) == null) {
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            current = e;
            return e;
        }

        public void remove() {
            if (current == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Object k = current.key;
            current = null;
            HashMap.this.removeEntryForKey(k);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }
显然entrySet()遍历的效率会比keySet()高,因为keySet获取key的集合后,还需要调用get()方法,相当于遍历两次

5.hashMap.get("1");

public V get(Object key) {  
        // 若为null,调用getForNullKey方法返回相对应的value  
        if (key == null)  
            return getForNullKey();  
        // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码    
        int hash = hash(key.hashCode());  
        // 取出 table 数组中指定索引处的值  
        for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {  
            Object k;  
            //若搜索的key与查找的key相同,则返回相对应的value  
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))  
                return e.value;  
        }  
        return null;  
    }

在这里能够根据key快速的取到value除了和HashMap的数据结构密不可分外,还和Entry有莫大的关系,在前面就提到过,HashMap在存储过程中并没有将key,value分开来存储,而是当做一个整体key-value来处理的,这个整体就是Entry对象。同时value也只相当于key的附属而已。在存储的过程中,系统根据key的hashcode来决定Entry在table数组中的存储位置,在取的过程中同样根据key的hashcode取出相对应的Entry对象


6.hashMap.remove("1");

public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.getValue());
    }

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        int hash = (key == null) ? 0 : sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        HashMapEntry<K,V> prev = table[i];
        HashMapEntry<K,V> e = prev;

        while (e != null) {
            HashMapEntry<K,V> next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }


6 总结

1.HashMap结合了数组和链表的优点,使用Hash算法加快访问速度,使用散列表解决碰撞冲突的问题,其中数组的每个元素是单链表的头结点,链表是用来解决冲突的


2.HashMap有两个重要的参数:初始容量和加载因子。这两个参数极大的影响了HashMap的性能。初始容量是hash数组的长度,当前加载因子=当前hash数组元素/hash数组长度,最大加载因子为最大能容纳的数组元素个数(默认最大加载因子为0.75),当hash数组中的元素个数超出了最大加载因子和容量的乘积时,要对hashMap进行扩容,扩容过程存在于hashmap的put方法中,扩容过程始终以2次方增长。


3.HashMap是泛型类,key和value可以为任何类型,包括null类型。key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中,当然不一定是存放在头结点table[0]中。


4.哈希表的容量一定是2的整数次幂,我们在HashMap算法篇会详细讲解