Java容器解析——HashMap

前言

HashMap是一個(gè)散列表，它存儲(chǔ)的內(nèi)容是鍵值對(duì)(key-value)映射。

1 定義

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

}

由HashMap定義可以看出

1） HashMap<K,V>表示支持泛型
2）繼承自AbstractMap抽象類，實(shí)現(xiàn)對(duì)于Map容器的操作方法。
3）實(shí)現(xiàn)Map接口，實(shí)現(xiàn)Map接口中定義的諸多方法。
4）實(shí)現(xiàn)Cloneable接口，
5）實(shí)現(xiàn)Serializable接口，保證容器的可序列化。

2 屬性值

HashMap的屬性值含義已在代碼注釋中給出。

    //默認(rèn)初始化容量大小，必須為2的冪的數(shù)，初始為16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
    //最大容量值
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    //默認(rèn)負(fù)載因子為0.75，代表table的填充度
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //鏈表長度閾值，HashMap采用數(shù)組+鏈表形式存儲(chǔ)
    //當(dāng)鏈表長度過長影響查詢效率，因此當(dāng)鏈表長度超過此值時(shí)，鏈表轉(zhuǎn)為紅黑樹形式存儲(chǔ)，以提升效率。
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    //樹最小容量
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    //存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的數(shù)組
    transient Node<K,V>[] table;
    
    transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
    // 容器中鍵值對(duì)的數(shù)目
    transient int size;
    
    transient int modCount;
    //閾值，超過閾值則需要擴(kuò)容
    int threshold;
    //負(fù)載因子
    final float loadFactor;
    
    //節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        //哈希值
        final int hash;
        //鍵值
        final K key;
        //對(duì)應(yīng)元素值
        V value;
        //指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
        Node<K,V> next;

        //構(gòu)造方法
        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;
        }
    }

3 構(gòu)造方法

1） 無參數(shù)

    //采用默認(rèn)值初始化
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

2）初始化容量為initialCapacity

    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

3）初始化容量為initialCapacity，負(fù)載因子為loadFactor

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

4）使用集合初始化

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }
    //遍歷集合，將集合中元素添加到this容器中
    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) { // pre-size
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            else if (s > threshold)
                resize();
            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }

4 核心方法

方法 含義 時(shí)間復(fù)雜度
get(Object key) 根據(jù)key獲取value O(1)
put(K key, V value) 存儲(chǔ)鍵值對(duì) O(1)
containsKey(Object key) 是否包含key O(n)
containsValue(Object value) 是否包含value O(n)
remove(Object key) 刪除key對(duì)應(yīng)的value O(n)
size() 容器元素?cái)?shù)目 O(1)
isEmpty() 集合是否為空 O(1)
clear() 清空集合 O(n)

5 put()方法

put()方法添加鍵值對(duì)。在分析put()過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)HashMap中有紅黑樹的實(shí)現(xiàn)過程。HashMap是采用數(shù)組加鏈表的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，當(dāng)鏈表長度過長時(shí)影響查找效率，因此當(dāng)鏈表長度超過一定閾值時(shí)，將鏈表結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為紅黑樹存儲(chǔ)，提升查找效率。

    //添加鍵為key，值為value
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    
    //添加鍵值對(duì)的方法
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        //使用到的中間變量
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //如果當(dāng)前數(shù)組為空，或者表長度為0，調(diào)用resize()方法重新分配容量
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 如果數(shù)組中對(duì)應(yīng)的索引位置的節(jié)點(diǎn)p為空，即不存在沖突情況，直接將鍵值對(duì)存儲(chǔ)在索引為i位置。
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        
        //若存在沖突，則需要遍歷鏈表尋找添加位置
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //如果節(jié)點(diǎn)p的鍵值與待存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的鍵值相同，將p節(jié)點(diǎn)賦給e節(jié)點(diǎn)
            //后面會(huì)對(duì)e幾點(diǎn)進(jìn)行判斷，如果不為空，則將e節(jié)點(diǎn)的值賦值為value，采用替換的方式存儲(chǔ)新的鍵值對(duì)，保證key的不可重復(fù)。
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            // 如果p節(jié)點(diǎn)的類型是TreeNode，，說明此時(shí)p節(jié)點(diǎn)所處的鏈表已經(jīng)轉(zhuǎn)為紅黑樹存儲(chǔ)的方式。則調(diào)用紅黑樹的添加節(jié)點(diǎn)方法，添加新的節(jié)點(diǎn) 
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            //p節(jié)點(diǎn)的鍵不重復(fù)，且當(dāng)前仍采用鏈表形式存儲(chǔ) ，則遍歷p節(jié)點(diǎn)為頭節(jié)點(diǎn)的鏈表
            else {
                //鏈表的遍歷，binCount記錄鏈表的長度
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //查到到鏈表尾
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 將新鍵值對(duì)創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)插在鏈表尾
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 判斷鏈表長度有沒有過長，超過限定值，若超過，則需改為紅黑樹的形式存儲(chǔ)
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                           // treeifyBin的作用在于將鏈表結(jié)構(gòu)改為紅黑樹存儲(chǔ)
                           treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    
                    // 在遍歷鏈表過程中發(fā)現(xiàn)了有相同key的節(jié)點(diǎn)，則采用替換方式。
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //如果e節(jié)點(diǎn)不為空，說明存在相同key，則替換此節(jié)點(diǎn)的value，并返回舊的value
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        
        ++modCount;
        //更新鍵值對(duì)數(shù)目，并判斷是否需要擴(kuò)容。
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

    //resize方法進(jìn)行重新分配容量
    final Node<K,V>[] resize() {
        //獲取舊表
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        //舊表為空oldCap=0，否則oldCap = 舊表長度
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        // 存儲(chǔ)舊閾值
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //舊表不為空
        if (oldCap > 0) {
            // 原數(shù)組長度大于最大容量(1073741824) 則將threshold設(shè)為Integer.MAX_VALUE=2147483647
                // 接近MAXIMUM_CAPACITY的兩倍
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            //沒有達(dá)到最大容量，則容量擴(kuò)大二倍，同時(shí)閾值擴(kuò)大二倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            // 如果原來的thredshold大于0則將容量設(shè)為原來的thredshold
            // 在第一次帶參數(shù)初始化時(shí)候會(huì)有這種情況
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            // 在默認(rèn)無參數(shù)初始化會(huì)有這種情況
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        
        if (newThr == 0) {
            // loadFactor 哈希負(fù)載因子 默認(rèn)0.75,可在初始化時(shí)傳入,16*0.75=12 可以放12個(gè)鍵值對(duì)
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        //設(shè)置新的臨界值
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        //擴(kuò)容操作，創(chuàng)建新的容量大小的數(shù)組newTab
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        // 如果原來的table有數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)復(fù)制到新的table中
        if (oldTab != null) {
            // for循環(huán)遍歷舊數(shù)組
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)//如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不存在下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即此節(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)在數(shù)組中的節(jié)點(diǎn)
                        //將節(jié)點(diǎn)e添加至數(shù)組索引為e.hash & (newCap - 1)的位置。
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)//如果節(jié)點(diǎn)e是TreeNode
                        // 如果e節(jié)點(diǎn)時(shí)紅黑樹的節(jié)點(diǎn)，則調(diào)用TreeNode的split()方法
                        // 由于紅黑樹的知識(shí)也是比較復(fù)雜，本篇中不做過多解釋。這里只說明樹的各類方法的作用。split()方法是拆分紅黑樹，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的重新映射。
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // 如果e節(jié)點(diǎn)是鏈表中的節(jié)點(diǎn)，則實(shí)現(xiàn)鏈表的復(fù)制
                    
                        //鏈表的復(fù)制操作，即將舊表中的含有e節(jié)點(diǎn)的鏈表復(fù)制到新表中
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            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) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        //返回?cái)U(kuò)容后的新表
        return newTab;
    }

6 get()方法

get()方法根據(jù)鍵值獲取元素值.

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        //查找鍵值為key的節(jié)點(diǎn)，查找成功返回value值，否則返回null。
        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;
        
        //檢查集合不為空，將first指向第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            
            
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //查找到節(jié)點(diǎn)，返回節(jié)點(diǎn)
                return first;
                
            if ((e = first.next) != null) {
                // 如果節(jié)點(diǎn)e類型為紅黑樹的節(jié)點(diǎn)類型，則調(diào)用getTreeNode()方法返回節(jié)點(diǎn)。getTreeNode()方法是完成紅黑樹的查找操作。
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                    
                // 如果節(jié)點(diǎn)e為普通類型的節(jié)點(diǎn)，則遍歷鏈表查找
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        //沒有查找到返回null
        return null;
    }

7 contains()方法

    //判斷是否包含鍵key
    public boolean containsKey(Object key) {
        //同樣采用getNode方法進(jìn)行查找，查找結(jié)果不為null則說明存在
        return getNode(hash(key), key) != null;
    }
    //是否包含value
    public boolean containsValue(Object value) {
        Node<K,V>[] tab; V v;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                    if ((v = e.value) == value ||
                        (value != null && value.equals(v)))
                        return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

8 remove()方法

    @Override
    public boolean remove(Object key, Object value) {
        return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
    }
    
    //刪除節(jié)點(diǎn)
    final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
        
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
            //查找節(jié)點(diǎn)操作
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
            
                // 紅黑樹的節(jié)點(diǎn)查找
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    //鏈表的節(jié)點(diǎn)查找
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            
            
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                 (value != null && value.equals(v)))) {
                    
                //查找到的節(jié)點(diǎn)為紅黑樹節(jié)點(diǎn)，則調(diào)用紅黑樹的刪除節(jié)點(diǎn)方法
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    // 查找到的節(jié)點(diǎn)屬于數(shù)組table中的元素，則直接將tab中的元素重新賦值
                    tab[index] = node.next;
                else
                    //鏈表的節(jié)點(diǎn)賦值
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                //更新數(shù)目
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

9 小結(jié)

HashMap采用數(shù)組+鏈表的方式存儲(chǔ)鍵值對(duì)，當(dāng)鏈表長度超過限定閾值，則將鏈表結(jié)構(gòu)調(diào)整為紅黑樹，提高查找效率。通過源碼可以看出在添加鍵值對(duì)時(shí)沒有null檢查，因此HashMap是允許null值的。

10 對(duì)比

1） HashMap允許將null作為一個(gè)entry的key或者value，而Hashtable不允許。
2） 由于HashMap非線程安全，Hashtable是線程安全的。
3）HashMap增加了紅黑樹。

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