HashMap是我們開發(fā)過程中經(jīng)常使用到的一個(gè)類，那么它的實(shí)現(xiàn)原理是怎樣的呢？在java1.8之前它的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)鏈表的數(shù)組，如圖所示：
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官方對(duì)HashMap作了如下說明
<p>This implementation provides constant-time performance for the basic
* operations (<tt>get</tt> and <tt>put</tt>)
以鏈表的數(shù)組作為HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常來說是可以滿足這個(gè)定義的，不過如果HashMap因?yàn)镵ey的hashCode定義不好或是裝載因子過大而產(chǎn)生大量沖突的話，那么這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就可能會(huì)退化為幾個(gè)很長(zhǎng)很長(zhǎng)的鏈表，在這種情況下HashMap的效率就會(huì)大大降低，顯然這種情況下是不能做到在常量時(shí)間內(nèi)完成get和put操作的。因此java1.8在此基礎(chǔ)上做了一些修改，當(dāng)HashMap中的某個(gè)鏈表過長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)鏈表就會(huì)進(jìn)化為一棵紅黑樹，紅黑樹的查找和插入操作比起長(zhǎng)鏈表的效率會(huì)高出很多，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：
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源碼分析
屬性
//默認(rèn)的容量大小16，容量大小必須是2的指數(shù)
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
//最大的容量大小1<<30
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默認(rèn)的裝載因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//由鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹的閥值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//由紅黑樹轉(zhuǎn)化為鏈表的閥值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//桶中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為紅黑樹，Hash表中數(shù)組大小的閥值，如果數(shù)組的長(zhǎng)度小魚這個(gè)值Hash表只會(huì)執(zhí)行resize操作
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//存儲(chǔ)元素的數(shù)組，其中的元素可能是單個(gè)節(jié)點(diǎn)、鏈表或是一個(gè)樹
transient Node<K,V>[] table;
//存放元素的集，主要用于遍歷Hashmap
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//元素個(gè)數(shù)
transient int size;
//Hashmap被修改的次數(shù)，
transient int modCount;
//擴(kuò)容臨界值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)超過capacity * load factor時(shí)就會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容
int threshold;
//裝載因子
final float loadFactor;
構(gòu)造函數(shù)
/**
//初始化容量和裝載因子
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//初始化容量小于0報(bào)錯(cuò)
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
//初始化容量不能大于最大容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//裝載因子必須大于0
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//初始化容量，裝載因子用默認(rèn)值0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//容量為默認(rèn)值16，裝載因子為默認(rèn)值0.75
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
//用其他Map初始化，裝載因子為默認(rèn)值0.75
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//把傳入的Map中的元素存入到HashMap中，實(shí)際調(diào)用的是putVal方法
putMapEntries(m, false);
}
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
//傳入的Map不為空才做后面的操作
if (s > 0) {
if (table == null) { // pre-size
//計(jì)算容量
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
//如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過了閥值就擴(kuò)容
else if (s > threshold)
resize();
//把Map里的元素存入HashMap中
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);
}
}
}
tableSizeFor()就是根據(jù)傳入的參數(shù)返回一個(gè)不小于它的最小2的整次冪，舉個(gè)例子如果傳入10，那么方法就會(huì)返回16
原理就是5個(gè)移位操作將cap的二進(jìn)制位從最高位的1到末尾全部置為1，比如01xx...xx,經(jīng)過移位操作后就變?yōu)榱?111...11,再在這個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上加1，就變成了
1000...00，這個(gè)數(shù)就是比cap大且離它最近的2的整次冪，而第一句將cap-1，是為了排除cap本省就是2的整次冪這種情況，比如cap為8，如果不減1，那么最終得到的結(jié)果就會(huì)是16
resize()就是對(duì)HashMap進(jìn)行擴(kuò)容
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
//舊表數(shù)組的大小
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//舊表閥值
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//舊表容量大于0
if (oldCap > 0) {
//舊表容量已經(jīng)最大，就沒有必要再擴(kuò)容了
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//新表容量為舊表容量的2倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//舊表容量不大于0，舊表閥值大于0
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
//舊表容量、閥值都不大于0，用默認(rèn)值初始化新表容量、閥值
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
//計(jì)算新表閥值，為容量*裝載因子，當(dāng)然不能超過最大容量值
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"})
//new一個(gè)數(shù)組存放舊表數(shù)據(jù)
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
//oldCap為舊表數(shù)組的長(zhǎng)度
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
//數(shù)組j位置上不為空
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//將舊表對(duì)該位置上對(duì)象持有的引用釋放掉，避免內(nèi)存泄漏
oldTab[j] = null;
//該位置上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn),直接在該位置上存放這個(gè)元素
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//如果該位置上的節(jié)點(diǎn)是TreeNode類型的，說明該位置上的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)化為一棵樹
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
//該位置上的節(jié)點(diǎn)是個(gè)鏈表，以(e.hash & oldCap) == 0為判斷條件，將原來的鏈表拆分為兩個(gè)鏈表
else { // preserve order
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) {//低部分保留在原數(shù)組中的索引j
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {//高部分在新數(shù)組中的索引為j+oldCap（新數(shù)組長(zhǎng)度為舊數(shù)組的2倍）
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;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
對(duì)于putMapEntries這個(gè)方法還有一點(diǎn)疑問，進(jìn)入這個(gè)方法后先是判斷table是否為null，如果為null就計(jì)算HashMap的容量和閥值，到后面就直接將Map中的元素put進(jìn)去了，可是沒有看到table的初始化呀？其實(shí)在putVal方法中會(huì)調(diào)用到resize方法，而resize方法里又會(huì)new一個(gè)table
put
//在Map中將key和value聯(lián)系在一起，如果Map中已經(jīng)包含有傳入的key，那么舊的value值就會(huì)被替換掉，如果有舊的value被替換掉，那么就返回這個(gè)舊的value，否則就返回null
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
這里提到了null，其實(shí)在官方對(duì)HashMap的解釋中就提到過，HashMap的實(shí)現(xiàn)方式和HashTable幾乎是一樣的，除了它的方法都是不同步的和允許null值以外。所以說HashMap既允許key為null，也允許value為null
在之前分析putMapEntries這個(gè)方法的時(shí)候我們就看到了putVal這個(gè)方法，現(xiàn)在我們來看一下它是怎么實(shí)現(xiàn)的
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//table為空，初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//位置 (n - 1) & hash上還沒有節(jié)點(diǎn)，直接存放到這個(gè)位置上就行了
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {//位置 (n - 1) & hash上已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)了
Node<K,V> e; K k;
//判斷這個(gè)位置上節(jié)點(diǎn)的key值是否和傳入的key相同，如果相同記錄下這個(gè)節(jié)點(diǎn)，后面將其value值替換為新值
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果這個(gè)位置上節(jié)點(diǎn)的key值和傳入的key不相同
//如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)的類型為TreeNode的話
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//這個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)雙向鏈表，在鏈表中查找是否又節(jié)點(diǎn)和傳入的key值相同，如果有就記錄下這個(gè)節(jié)點(diǎn)，后面對(duì)其value值進(jìn)行替換，否則就在鏈表的尾部插入新節(jié)點(diǎn)
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//在鏈表的尾部插入新節(jié)點(diǎn)
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果鏈表的長(zhǎng)度超過了閥值，就將鏈表轉(zhuǎn)化為一個(gè)紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//在鏈表中找到了和傳入key值相同的節(jié)點(diǎn)
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//在這個(gè)位置上找到了一個(gè)節(jié)點(diǎn)和傳入的key值相同，替換這個(gè)節(jié)點(diǎn)value值，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;
}
}
//HashMap修改次數(shù)
++modCount;
//節(jié)點(diǎn)數(shù)超過閥值
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
int h, K k, V v) {
Class<?> kc = null;
boolean searched = false;
TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this;
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph; K pk;
//根據(jù)hash值決定在左子樹還是在右子樹中插入
//在左子樹中插入
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
//在右子樹中插入
else if (ph < h)
dir = 1;
//hash值相等
//節(jié)點(diǎn)的key值和傳入的key值相同，返回這個(gè)節(jié)點(diǎn)，在putVal方法中會(huì)將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的value值修改為新值
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;
//hash值相等，但是節(jié)點(diǎn)的key值和傳入的key值不同，就通過comparable比較節(jié)點(diǎn)的key值和傳入的key值，如果comparable比較的結(jié)果等于0
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
if (!searched) {
TreeNode<K,V> q, ch;
searched = true;
//在左右子樹中查找節(jié)點(diǎn)
if (((ch = p.left) != null &&
(q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
((ch = p.right) != null &&
(q = ch.find(h, k, kc)) != null))
return q;
}
dir = tieBreakOrder(k, pk);
}
TreeNode<K,V> xp = p;
//到了葉子節(jié)點(diǎn)
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
Node<K,V> xpn = xp.next;
TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
//這是一個(gè)線索化的紅黑樹，即是說每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)前節(jié)點(diǎn)和后節(jié)點(diǎn)，這個(gè)在后面會(huì)有用到
xp.next = x;
x.parent = x.prev = xp;
if (xpn != null)
((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x;
//插入節(jié)點(diǎn)后做平衡化操作
moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));
return null;
}
}
}
上面反復(fù)提到一個(gè)概念就是key值相等，這里相等的含義表示這兩個(gè)引用指向同一個(gè)對(duì)象或是它們的equals方法返回true，所以我們可以看到在HashMap中的Key的類型的hashCode方法和equals方法對(duì)HashMap的執(zhí)行都是有影響的。
首先定位在數(shù)組中的索引值就是通過hashCode進(jìn)行計(jì)算的
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
而equals方法對(duì)判定HashMap中是否已經(jīng)存在相同的key產(chǎn)生影響
還有一個(gè)treeifyBin方法
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
//如果table數(shù)組的長(zhǎng)度小于閥值MIN_TREEIFY_CAPACITY，就不轉(zhuǎn)化為紅黑樹了，進(jìn)行擴(kuò)容操作（resize）
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
//數(shù)組長(zhǎng)度超過閥值，且索引(n - 1) & hash位置不為空
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
//while循環(huán)將鏈表中的節(jié)點(diǎn)都替換為TreeNode，注意新的鏈表和原有鏈表的結(jié)構(gòu)是一樣的，也就是即使轉(zhuǎn)換為了一棵紅黑樹，那這棵樹也是線索化的，可以按鏈表的方式訪問，后面遍歷時(shí)會(huì)用到
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
//這里才是真正將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
get
//返回和傳入key值關(guān)聯(lián)的value，如果沒有就返回null
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
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;
//如果table不為空且索引(n - 1) & hash上存放有對(duì)象
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//檢查索引上的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果hash值和key值都相等就返回這個(gè)節(jié)點(diǎn)
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//該索引位置上不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)
if ((e = first.next) != null) {
//該索引位置為一棵數(shù)
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
//如果是一個(gè)鏈表，就遍歷鏈表查找hash值和key值相等的節(jié)點(diǎn)，找到就直接返回
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) {
return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null);
}
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
TreeNode<K,V> p = this;
do {
int ph, dir; K pk;
TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
//根據(jù)hash值決定在左子樹還是右子樹中查找，這是典型的二分查找
//在左子樹中查找
if ((ph = p.hash) > h)
p = pl;
//在右子樹查找
else if (ph < h)
p = pr;
//下面的分支都是hash值相等
//找到了返回節(jié)點(diǎn)
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;
//左子樹為空就在右子樹找
else if (pl == null)
p = pr;
//右子樹為空就在左子樹找
else if (pr == null)
p = pl;
//通過comparable比較決定是在左子樹還是右子樹中查找
else if ((kc != null ||
(kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
p = (dir < 0) ? pl : pr;
else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
return q;
else
p = pl;
} while (p != null);
return null;
}
containsKey
//調(diào)用的方法和get調(diào)用的方法是一樣的
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
containsValue
public boolean containsValue(Object value) {
Node<K,V>[] tab; V v;
if ((tab = table) != null && size > 0) {
//兩從循環(huán)遍歷HashMap，先遍歷數(shù)組
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
//遍歷索引位置i上的節(jié)點(diǎn)
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
//比較value值，相等就返回
if ((v = e.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))
return true;
}
}
}
return false;
}
這里有個(gè)奇怪的地方，按之前所說的，索引位置i可能是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可能是一個(gè)鏈表還有可能是一棵樹，怎么這里都按鏈表的方式來遍歷呢，如果是一棵紅黑樹也能這么遍歷嗎？其實(shí)是可以的，前面在put方法中也有說過，索引位置i即使是一棵紅黑樹，那它也是一棵線索化的紅黑樹，它的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有前節(jié)點(diǎn)和后節(jié)點(diǎn)，所以是可以按照鏈表的方式來訪問的。
entrySet
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> es;
return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
}
開始看到這個(gè)方法的時(shí)候覺得有點(diǎn)奇怪，只是new了一個(gè)EntrySet，其他什么都沒做，怎么就得到了所有節(jié)點(diǎn)的集合。還是先看看EntrySet是什么吧
final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public final int size() { return size; }//返回HashMap的size
public final void clear() { HashMap.this.clear(); }//執(zhí)行HashMap的clear方法
public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return new EntryIterator();
}
public final boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>) o;
Object key = e.getKey();
Node<K,V> candidate = getNode(hash(key), key);
return candidate != null && candidate.equals(e);
}
public final boolean remove(Object o) {
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>) o;
Object key = e.getKey();
Object value = e.getValue();
return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
}
return false;
}
public final Spliterator<Map.Entry<K,V>> spliterator() {
return new EntrySpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
}
public final void forEach(Consumer<? super Map.Entry<K,V>> action) {
Node<K,V>[] tab;
if (action == null)
throw new NullPointerException();
if (size > 0 && (tab = table) != null) {
int mc = modCount;
// Android-changed: Detect changes to modCount early.
for (int i = 0; (i < tab.length && modCount == mc); ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
action.accept(e);
}
if (modCount != mc)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
我們可以看到它里面的所有方法都是調(diào)用外部類HashMap的方法，forEach也是通過兩從遍歷table來遍歷HashMap中的所有節(jié)點(diǎn)的，所以它并沒有自己的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，它只是提供了Set的接口來訪問HashMap里的元素節(jié)點(diǎn)
