前言
HashMap是Map集合的一種實現(xiàn)，提供了一種簡單實用的數(shù)據(jù)存儲和讀取方式。
Map接口不同于List接口，屬于集合框架中的另一個支線。
HashMap采用K-V鍵值對數(shù)據(jù)存儲模型，底層的存儲結(jié)構(gòu)是基于數(shù)組和鏈表實現(xiàn)。在JDK 8中，當數(shù)組中某一項的鏈表存儲鍵值對的個數(shù)超過8時，會使用紅黑樹來存儲。
HashMap是一個非線程安全的集合類。如果在多線程環(huán)境下，可以使用Collections.synchronizedMap獲得線程安全的HashMap：
Map map = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
在HashMap中，我們把數(shù)組看作buckets array，數(shù)組的每個元素Node實現(xiàn)了Map.Entry接口，也叫做槽（bucket）。容量是指數(shù)的槽的數(shù)量。
HashMap實現(xiàn)了Map接口，有put、get、remove等一些操作集合的方法。
HashMap繼承了AbstractMap類，AbstractMap類對于Map接口做了基礎(chǔ)的實現(xiàn)，實現(xiàn)了containsKey、containsValue等方法。
源碼分析
成員變量
...
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1073741824;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75F;
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
transient Node<K,V>[] table;
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
transient int size;
transient int modCount;
int threshold;
final float loadFactor;
成員變量相對于List接口下的集合類來說比較多，我們可以從名字上看出對應(yīng)的含義。
- DEFAULT_INITIAL_CAPACITY：表示默認容量，容量必須為2的冪。
- MAXIMUM_CAPACITY：表示最大容量，如果傳入的容量大于該值，實際容量也會被該值替換。
- DEFAULT_LOAD_FACTOR：默認的加載因子。加載因子可以理解為飽和率。用來計算擴容的threshold。當HashMap的實際元素容量達到threshold時，HashMap進行擴容操作。
- TREEIFY_THRESHOLD：當槽的鏈表容量大于該值時，該槽內(nèi)的存儲結(jié)構(gòu)由鏈表改為紅黑樹。該值必須大于2，最好大于8。
- UNTREEIFY_THRESHOLD：當槽存儲的元素容量小于該值時，由樹型轉(zhuǎn)回鏈式結(jié)構(gòu)。該值應(yīng)該小于TREEIFY_THRESHOLD。該值最大為6。
- MIN_TREEIFY_CAPACITY：當哈希表的容量大于該值時，表中的槽才能樹形化。否則槽內(nèi)元素太多時會擴容。為了避免擴容與樹形化選擇的沖突，該值不能小于4 * TREEIFY_THRESHOLD。
- table：存儲Entry的數(shù)組，每個Entry是一條單鏈表的頭結(jié)點。
- entrySet：HashMap中所有鍵值對的集合。
- size：HashMap鍵值對的數(shù)量。
- threshold：如果size大于該值時，會進行擴容操作。threshold = capacity loadFactor。
- loadFactor：實際的加載因子，通過構(gòu)造方法傳入。默認等于DEFAULT_LOAD_FACTOR。
構(gòu)造方法
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);
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
HashMap有四個構(gòu)造方法。我們主要關(guān)注的是initialCapacity(初始大小)、loadFactor(加載因子)兩個參數(shù)。
第一個方法支持同時自定義兩個參數(shù)。
第二個方法支持自定義initialCapacity，loadFactor使用DEFAULT_LOAD_FACTOR。
第三個方法不傳參，initialCapacity使用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY，loadFactor使用DEFAULT_LOAD_FACTOR。
第四個是將其它的Map集合元素重新散列，構(gòu)造一個HashMap。
關(guān)注第一個方法中的tableSizeFor()方法。
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;// >>>表示無符號右移
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
這個方法主要是位運算操作。返回值是2的冪中第一個大于等于傳入的cap的數(shù)值。
注意int n = cap - 1。這句話是為了避免cap本來就是2的冪次方，這樣一來，經(jīng)過后續(xù)的位操作的，返回值將會變成2 * cap,是不符合我們預(yù)期的。
Node類
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
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);//異或運算
}
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;
}
}
Node<K,V>類是HashMap中的靜態(tài)內(nèi)部類，實現(xiàn)Map.Entry<K,V>接口。 定義了key鍵、value值、next節(jié)點，也就是說元素之間構(gòu)成了單向鏈表。
重要普通方法
- hash(Object key)
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
這個方法首先獲得了key的 Hash值。然后通過 Hash值進行高位運算。過程如下圖：
在JDK1.8的實現(xiàn)中，優(yōu)化了高位運算的算法，通過hashCode()的高16位異或低16位實現(xiàn)的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是從速度、功效、質(zhì)量來考慮的，這么做可以在數(shù)組table的length比較小的時候，也能保證考慮到高低Bit都參與到Hash的計算中，同時不會有太大的開銷。
- put(key,value）
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
// tab 為空,調(diào)用resize()初始化tab。
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
// key沒有被占用的情況下,將value封裝為Node并賦值
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 如果key相同,p賦值給e
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
// 如果p是紅黑樹類型，調(diào)用putTreeVal方式賦值
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// index 相同的情況下
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
// 如果p的next為空，將新的value值添加至鏈表后面
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
// 如果鏈表長度大于8，鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹，執(zhí)行插入
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key相同則跳出循環(huán)
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
//根據(jù)規(guī)則選擇是否覆蓋value
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
// size大于加載因子,擴容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
HashMap 的插入操作需要分多種情況來判斷。具體流程如下圖:
- resize( ) 方法
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) {
// table已存在
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
// 超過最大值就不再擴充
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//沒超過最大值，擴充為原來的兩倍
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
// 初始化時，tableSizeFor方法保證了threshold是2的冪次方
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
// 默認初始化，cap為16，threshold為12。
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) {
// 把每個bucket都移動到新的buckets中
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
// 鏈表只有一個節(jié)點，直接賦值
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
// e為紅黑樹的情況
((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;
// e.hash & oldCap是新增的bit位的值
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;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
前面一部分是對于擴容的操作。oldCap > 0表示table已經(jīng)被初始化過了。說明 HashMap 已經(jīng)有元素了。而其它情況都是構(gòu)造 HashMap 后還沒有初始化table的情況。
resize方法我們主要關(guān)注的是元素轉(zhuǎn)移到新數(shù)組的操作。
假設(shè) HashMap 的capacity為 2k2k。一個元素element在這個數(shù)組中的索引為：index = element.hash & (2^k - 1)。
2^k - 1用二進制表示，它的最后 k 位都為1。
所以index的值就是element.hash二進制表示的最后 k 位轉(zhuǎn)化為十進制。
示例如下：
接下來我們對 HashMap 進行擴容。capacity 為2k+12k+1。元素element在原來數(shù)組中的位置為index。
計算element在新數(shù)組中的位置:newIndex = element.hash & (2 ^ (k + 1）- 1)。
element.hash為固定值?？紤](2 ^ (k + 1）- 1)的取值，由上面的分析可以知道，它用二進制表示最后 k+1 位都為 1 。所以newIndex的值就是element.hash二進制表示的最后 k+1 位轉(zhuǎn)化為十進制。
我們來探討index與newIndex之間的關(guān)系。下面的hash都表示element.hash。
index的取值為hash的最后 k 位，newIndex的取值為hash的最后 k+1 位。
第 k+1 位轉(zhuǎn)化為十進制時的取值為 2k2k。
假設(shè)hash的第 k+1 位為 x，它的值為hash & 2^k，newIndex = index + x?2kx?2k
當 x 為 0 時，最后的 k+1 位的值與最后 k 位的值一樣。即newIndex = index。
當 x 為 1 時，newIndex = index + 2k2k。即element的位置右移了 2k2k位。
所以在計算新的索引值時，只需要計算hash的第 k+1 位，即hash & 2^k。
這個設(shè)計非常的巧妙，新增的1bit是0還是1可以認為是隨機的，因此resize的過程均勻的把之前的沖突的節(jié)點分散到新的bucket中了。
假設(shè)capacity從 16 擴展到 32 。
理解了這個過程之后，resize方法理解起來就很簡單了。
另外一個注意的點是：在 JDK 1.8 中，舊鏈表遷移新鏈表的時候，如果在新表的數(shù)組索引位置相同，鏈表元素不會倒置。這與 JDK 1.7 中不同。
- get(key)
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;
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))))
return first;
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;
}
判斷元素相等的設(shè)計比較經(jīng)典，利用了 bool表達式的短路特性：先比較 hash值；如果 hash值相等，就通過==比較；如果==不等，再通過equals方法比較。hash是提前計算好的；==直接比較引用值；equals方法最有可能耗費性能，如String的equals方法需要O(n)的時間，n是字符串長度。
- remove(key) & remove(key, value)
remove(key) 方法和remove(key, value)方法都是通過調(diào)用removeNode方法來實現(xiàn)刪除元素的。
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
public boolean remove(Object key, Object value) {
return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
}
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;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// index 元素只有一個元素
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode)
// index處是一個紅黑樹
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
// index處是一個鏈表，遍歷鏈表返回node
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 分不同情形刪除節(jié)點
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
else
p.next = .next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
線程安全
在多線程使用場景中，應(yīng)該盡量避免使用線程不安全的 HashMap，而使用線程安全的 ConcurrentHashMap。
迭代器的fail-fast策略導(dǎo)致了并發(fā)不安全。如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了。HashMap就會拋出異常。
而在 JDK 1.7 中，并發(fā) put操作觸發(fā)擴容導(dǎo)致潛在可能的死循環(huán)現(xiàn)象。
示例如下：
public class HashMapInfiniteLoop {
private static HashMap<Integer,String> map = new HashMap<Integer,String>(2);
public static void main(String[] args) {
map.put(5， "C");
new Thread("Thread1") {
public void run() {
map.put(7, "B");
System.out.println(map);
};
}.start();
new Thread("Thread2") {
public void run() {
map.put(3, "A");
System.out.println(map);
};
}.start();
}
}
transfer方法中的遷移元素代碼如下:
do {
Entry<K,V> next = e.next; // <--假設(shè)線程一執(zhí)行到這里就被調(diào)度掛起了
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
假設(shè)線程一執(zhí)行完Entry<K,V> next = e.next;。而線程二執(zhí)行完成了resize操作。那么會出現(xiàn)下圖的情況：
Thread1的 e 指向了key(3)，而next指向了key(7)。
接下來線程一執(zhí)行。先是執(zhí)行 newTalbe[i] = e， 然后是e = next，導(dǎo)致了e指向了key(7)，而下一次循環(huán)的next = e.next導(dǎo)致了next指向了key(3)。
e.next = newTable[i] 導(dǎo)致 key(3).next 指向了 key(7)。注意：此時的key(7).next已經(jīng)指向了key(3)， 環(huán)形鏈表就這樣出現(xiàn)了。
當我們用線程一調(diào)用map.get(11)時，悲劇就出現(xiàn)了——Infinite Loop。
總結(jié)
擴容是一個特別耗性能的操作，所以當程序員在使用HashMap的時候，估算map的大小，初始化的時候給一個大致的數(shù)值，避免map進行頻繁的擴容。
負載因子是可以修改的，也可以大于1，但是建議不要輕易修改，除非情況非常特殊。
HashMap是線程不安全的，不要在并發(fā)的環(huán)境中同時操作HashMap，建議使用ConcurrentHashMap。
JDK1.8引入紅黑樹大程度優(yōu)化了HashMap的性能。
