前言
經(jīng)常用 HashMap，本來以為沒多少內(nèi)容，但是仔細(xì)研究之后發(fā)現(xiàn)還是有點(diǎn)東西的。本文通過一些問題結(jié)合源碼對 HashMap 進(jìn)行記錄，以便再次學(xué)習(xí)。
本文源碼基于 JDK1.8
問題來了
問題1： HashMap 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？
JDK 1.7 使用數(shù)組+鏈表，JDK1.8 使用數(shù)組+鏈表或紅黑樹結(jié)構(gòu)。
HashMap 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
問題2： HashMap 數(shù)據(jù)存放原理？
基本過程：
- 根據(jù)新增數(shù)據(jù) HashCode 和 數(shù)組長度 確認(rèn)下標(biāo)，如果當(dāng)前下標(biāo)沒有數(shù)據(jù)則直接存放。
- 如果當(dāng)前下標(biāo)有數(shù)據(jù)，則往該數(shù)據(jù)以鏈表結(jié)構(gòu)往后添加。
- 當(dāng)某個元素鏈表長度大于 8 之后，轉(zhuǎn)換為紅黑樹。下次再往樹結(jié)構(gòu)下標(biāo)添加數(shù)據(jù)時，添加到紅黑樹元素中。
源碼分析：
HashMap # putVal()
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 1.為空則初始化數(shù)組長度
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 2. 如果當(dāng)前下標(biāo)元素鏈表為空，創(chuàng)建新結(jié)點(diǎn)
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
// 當(dāng)前下標(biāo)元素鏈表存在值，則往鏈表后添加
Node<K,V> e; K k;
// 3. 如果 key 存在，覆蓋 value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 4. 要添加的結(jié)點(diǎn)為樹結(jié)點(diǎn)，則添加到樹結(jié)構(gòu)中
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// 5.不是樹則遍歷鏈表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 5.1 如果下一個結(jié)點(diǎn)為 null，則把新的結(jié)點(diǎn)添加即可
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 5.2 如果長度大于 8 放到數(shù)結(jié)構(gòu)中
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 5.3 如果key相同，賦值給 e 跳出循環(huán)，后面進(jìn)行值覆蓋
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 6. 覆蓋值操作
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
// 7.擴(kuò)容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
- 當(dāng) HashMap 為空時，調(diào)用 resize() 方法初始化 HashMap 的容量。默認(rèn)的初始容量為
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4// 16 。 - 確定元素位置，創(chuàng)建新元素。
2.1 首先確定新元素的下標(biāo) i = (n - 1) & hash。n 是數(shù)組長度，那么 n-1 就是下標(biāo)最大值。與 hash 碼進(jìn)行與運(yùn)算，得出的結(jié)果必定是不大于最大下標(biāo)的。
比如數(shù)組長度為 4，最大下標(biāo)為 3 二進(jìn)制為 00..011。hash 值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為 01...10。
進(jìn)行 & 運(yùn)算由于下標(biāo)前面都是補(bǔ)位的 0 ，& 運(yùn)算之后都為 0。所以只有最后兩位有意義。 11&10 = 10，下標(biāo)為 2。
如果這時 hash 值的最后兩位為 01，11&01=01 下標(biāo)為 1。
2.2 確定好下標(biāo)之后，調(diào)用 newNode 方法創(chuàng)建新結(jié)點(diǎn)并放置在下標(biāo)位置。
p 不為 null 說明當(dāng)前下標(biāo)存在元素。
如果新增元素的 hash 以及 key 都與當(dāng)前 p 元素一致，將 p 賦值給 e。
到后面 6 中進(jìn)行判斷，將 e 的值覆蓋為新的值，也就是說原來 p 的 hash key 的位置值被覆蓋掉了。如果結(jié)點(diǎn)是樹類型的，把傳入的信息生成一個新的樹結(jié)點(diǎn)并存放到樹結(jié)構(gòu)中。
不是樹類型，則遍歷該元素鏈表進(jìn)行處理。
e 的值不為空，說明要傳入的 key 已經(jīng)存在了，最后把值覆蓋掉。這就是 HashMap 定義值不能重復(fù)的代碼實現(xiàn)。
如果數(shù)據(jù)達(dá)到了閾值，進(jìn)行擴(kuò)容。
問題3： HashMap 怎么擴(kuò)容？
擴(kuò)容條件：
存放完數(shù)據(jù)以后，判斷當(dāng)前容量是否達(dá)到閾值。一旦達(dá)到則需要進(jìn)行擴(kuò)容：
if (++size > threshold)
resize();
基本過程：
- 容量翻倍；
- 重新放置元素。
源碼分析（HashMap 不為空的情況下）：
HashMap # resize()
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 達(dá)到最大值就不處理了
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 1.左移一位進(jìn)行翻倍
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
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
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];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 2.將所有結(jié)點(diǎn)放置在擴(kuò)容表中
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 3.鏈表結(jié)點(diǎn)沒有下個元素，找到下標(biāo)直接存放
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
// 4.樹結(jié)構(gòu)單獨(dú)處理
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
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;
// 5.運(yùn)算之后為0，直接存放在當(dāng)前下標(biāo)
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 6.不為0，存放到當(dāng)前下標(biāo)+原來長度（oldCap）的位置
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 5.1不需要挪動的頭結(jié)點(diǎn)
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 6.1需要挪動的頭結(jié)點(diǎn)，放置在 j + oldCap 下標(biāo)處
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
重點(diǎn)在于：
- 進(jìn)行遍歷，如果某個元素不為鏈表或樹結(jié)構(gòu)，直接存放即可。因為原來它所在的下標(biāo)就一個值，直接放在原位置即可。
- 某個元素為鏈表，遍歷鏈表中的結(jié)點(diǎn)。將 & 運(yùn)算結(jié)果為 0 串起來，將結(jié)果不為 0 的串起來。最后將為 0 的一串放在原來下標(biāo)位置，不為 0 的一串放在 [原來下標(biāo)+原來長度] 的位置。為 0 的一串不需解釋，放在原來位置。
不為 0 的打個比方：原來長度是 4，下標(biāo)為 1。數(shù)組擴(kuò)容為兩倍 8，那么需要放置在位置下標(biāo)為 4+1=5 處。這樣就比較均勻地分散了數(shù)據(jù)。
問題4： HashMap 初始容量大小？
默認(rèn)容量是 16：
/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
默認(rèn)負(fù)載因子：
/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
如果創(chuàng)建 HashMap 時傳入初始容量 k，則初始大小為距離 k 最近的 2 的整數(shù)次方。比如傳入 10，經(jīng)過計算為 16。
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
二進(jìn)制右移并進(jìn)行位或，結(jié)果會把所有位變?yōu)?1，最后再 +1 得到最接近的 2 的冪數(shù)整數(shù)。
問題5： HashMap 下標(biāo)確認(rèn)過程？
- 生成散列值：
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
允許 key 為 null，返回 hash 碼 0。反之，拿到該對象的 hashCode，然后將該 hashCode 的高 16 位與低 16 位進(jìn)行異或（相同為 0 不同為 1）。
進(jìn)行運(yùn)算
為什么散列值這樣生成？
高 16 位與低 16 位進(jìn)行異或的算法叫做 擾動函數(shù)，這么做的好處有
- 盡可能降低了 hash 碰撞；
- 位或運(yùn)算效率較高；
- 變相地保留了 hashCode 的高 16 位。
為什么不直接使用 hashCode 作為散列值
先搞清楚下標(biāo)生成規(guī)則：
- 將數(shù)組長度 -1 和 hash 值進(jìn)行與運(yùn)算（都想同為 1，否則為 0），就確定了下標(biāo)。
Node<K,V> p;
int n = table.length;
p = tab[(n - 1) & hash];
打個比方，數(shù)組長度為 16，將某個 hash 值和 長度-1 進(jìn)行與運(yùn)算。因為只保留了后幾位，所以得到的結(jié)果肯定不大于數(shù)組長度。
10100101 11000100 00100101
& 00000000 00000000 00001111
--------------------------------
00000000 00000000 00000101 //高位全部歸零，只保留末四位
由于下標(biāo)的生成主要在于數(shù)組長度的后幾位，如果只是使用 hashCode 特容易發(fā)生碰撞。使用擾動函數(shù)處理過之后，加大了低位的隨機(jī)性，減少碰撞。
這里也就說明了數(shù)組容量為 2 的整數(shù)冪的原因：要進(jìn)行與運(yùn)算確定下標(biāo)。為 2 的整數(shù)冪，計算時減 1 確保后位全部為 1，這樣與運(yùn)算的時候會有很大的隨機(jī)性。如果不是 2 的整數(shù)冪減 1，后位很多 0、運(yùn)算的時候極易得到相同的下標(biāo)，造成效率降低、內(nèi)存浪費(fèi)的后果。
問題6： HashMap 怎么獲取元素？
基本過程：
- 根據(jù) key 得到散列值，傳入 key 進(jìn)行查找。
- 找到直接返回，找不到遍歷。
HashMap # get()
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
// hash(key) 獲得傳入 key 的 hash 碼
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;
// 1. 判空，如果 HashMap 為空直接返回 null
// 數(shù)組長度和 hash 進(jìn)行與運(yùn)算，得到所查找元素下標(biāo)，找不到同樣返回 null
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 2. 如果要查找 key 與第一個元素 hash 和 key 都相同，直接返回
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 3. 遍歷查找后面的元素，找到就返回。找不到最后會返回 null
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
HashMap 查詢元素時間復(fù)雜度
- 根據(jù)上方查找元素的源碼，如果能直接確認(rèn)所在下標(biāo)就是要查詢的元素，直接返回。時間復(fù)雜度為 O(1)。
- 如果需要遍歷鏈表，時間復(fù)雜度為 O(n)。
以上僅為個人理解。
問題7： HashMap 遍歷原理？
先來看一下 HashMap 遍歷的方式：
HashMap<Object, Object> hashMap = new HashMap();
// 遍歷key
for (Object k : hashMap.keySet()) {
}
// 遍歷元素
for (HashMap.Entry<Object, Object> entry : hashMap.entrySet()) {
}
// 迭代器遍歷key
Set<Object> keySet = hashMap.keySet();
Iterator<Object> iterator = keySet.iterator();
while (iterator.hasNext()){
Object o = iterator.next();
}
// 迭代器遍歷元素
Set<HashMap.Entry<Object, Object>> keySetI = hashMap.entrySet();
Iterator<HashMap.Entry<Object, Object>> iteratorI = keySetI.iterator();
while (iteratorI.hasNext()){
HashMap.Entry<Object, Object> entry = iteratorI.next();
}
直接遍歷
hashMap.keySet() 方法會返回一個 KeySet 集合：
HashMap # keySet()
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
if (ks == null) {
ks = new KeySet();
keySet = ks;
}
return ks;
}
使用 for 循環(huán)即可遍歷該 Set 集合，獲取到 Key 的集合。
KeySet 是 HashMap 的一個內(nèi)部類，創(chuàng)建時持有 HashMap 的第一個元素，有了開頭的元素就可以執(zhí)行遍歷了。后面會詳細(xì)記錄它的實現(xiàn)。
迭代器遍歷
keySet.iterator() 方法或獲取到 HashMap 的迭代器：
final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public final int size() { return size; }
public final void clear() { HashMap.this.clear(); }
public final Iterator<K> iterator() { return new KeyIterator(); }
public final boolean contains(Object o) { return containsKey(o); }
public final boolean remove(Object key) {
return removeNode(hash(key), key, null, false, true) != null;
}
public final Spliterator<K> spliterator() {
return new KeySpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
}
...
}
進(jìn)行遍歷用到迭代器的 next 方法
KeyIterator # next()
final class KeyIterator extends HashIterator
implements Iterator<K> {
public final K next() { return nextNode().key; }
}
nextNode() 方法是父類 HashIterator 的，先看下 HashIterator 的構(gòu)造函數(shù)：
abstract class HashIterator {
Node<K,V> next; // next entry to return
Node<K,V> current; // current entry
int expectedModCount; // for fast-fail
int index; // current slot
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
Node<K,V>[] t = table;
current = next = null;
index = 0;
// next 持有第一個元素
if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
}
...
}
注意成員變量 next 持有的 HashMap 的第一個元素的結(jié)點(diǎn)，再看 nextNode() 方法：
HashMap.HashIterator # nextNode()
final Node<K,V> nextNode() {
Node<K,V>[] t;
// 1. 把 next 結(jié)點(diǎn)復(fù)制給 e，從第一個元素開始查找
Node<K,V> e = next;
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
// 2.第一次調(diào)用 e 為初始結(jié)點(diǎn)，直接返回，并且 next 成為 e 的下一個結(jié)點(diǎn)。
// 如果 e 的下一個結(jié)點(diǎn)為 null 并且表不為空，把表下一個元素賦值給 next。
if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
return e;
}
這樣完成了每一個結(jié)點(diǎn)的遍歷，至于 HashMap.Entry 的遍歷與之類似，不再贅述。
HashMap 刪除實現(xiàn)
HashMap 元素的移除就相對簡單了，直接看源碼。
HashMap # remove
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
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;
// 判斷數(shù)組是否為空，要移除的元素是否為空
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;
// key 對上了，node 記錄要移除的元素
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
// 沒對上，說明可能在鏈表或紅黑樹中
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
// 遍歷查找，直到找到了元素或查詢完畢
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)))) {
if (node instanceof TreeNode)// 樹節(jié)點(diǎn)刪除
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p) // 如果是首節(jié)點(diǎn)，直接把下標(biāo)位置指向下一個結(jié)點(diǎn)
tab[index] = node.next;
else // 如果不是，直接指向下一個結(jié)點(diǎn)，當(dāng)前結(jié)點(diǎn)就刪除了
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
總結(jié)
文中有關(guān)紅黑樹等內(nèi)容暫時沒有分析，等復(fù)習(xí)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)再說吧。
參考資料：
