Java为我们提供了各种各样的集合类,说起各个map的API用法以及区别也都很熟,本人也一样,但是当谈到底层原理,实现结构的时候就未必知道了,今天我们来看看。
前言
java.util.Map,此接口主要有四个常用的实现类，也是我们平时用的最多的四个实现类,分别是HashMap、Hashtable、LinkedHashMap和TreeMap，类继承关系如下图所示：
本文则主要分下一下HashMap,关于几者的区别与关系后面再探讨,看一下hashmap继承图更直观点:
HashMap
- 最常用的Map,无序,是一个用于存储Key-Value键值对的集合，每一个键值对也叫做Entry。
- 这些个键值对（Entry）分散存储在一个数组当中，这个数组就是HashMap的主干。它根据键的HashCode 值存储数据,根据键可以直接获取它的值，具有很快的访问速度。
- 最多只允许一条记录的键为Null(多条会覆盖),允许多条记录的值为 Null。
- 非同步的,多线如果多线程情况下同时写入hashmap会导致数据不一致,所以线程不安全。
HashMap的属性
//默认初始化容量16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
///最大容量,2的30次幂
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//当一个桶中的元素个数大于等于8时进行树化
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//当一个桶中的元素个数小于等于6时把树转化为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//将桶结构转化成树形结构的最小容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 数组，又叫作桶（bucket）
transient Node<K,V>[]table;
//作为entrySet()的缓存
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
//元素的数量
transient int size;
//修改次数，用于在迭代的时候执行快速失败策略
transient int modCount;
//当桶的使用数量达到多少时进行扩容，threshold = capacity * loadFactor
int threshold;
//装载因子
final float loadFactor;
存储结构
先从存储结构来说,hashmap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下如所示:
然后开始结合看源码:
//Node是一个链表,它实现了Entry数组,也就是哈希桶数组
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
//此处为Node构造函数,分别为hash值,键,值,下一个节点
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; }
//每个节点的hashcode是由key的hashcode和value的hashcode进行异或得到的
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
//判断两个node是否相等,若key和value都相等，返回true。可以与自身比较为true
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;
}
}
当一个key被加入时，会通过Hash算法通过key算出这个数组的下标i，然后就把这个<key, value>元素插到table[i]中，如果有两个不同的key被算在了同一个i，那么就叫冲突，又叫碰撞，这样会在table[i]上形成一个链表。在JDK 8之前的 HashMap 中都只是采取了单向链表的方式，哈希碰撞会给查找带来灾难性的影响。在最差的情况下，HashMap 会退化为一个单链表，查找时间由 O(1) 退化为 O(n),而在JDK 8中，如果单链表过长（长度超过8）则会转换为一颗红黑树，使得最坏情况下查找的时间复杂度为 O(log n)，且当hashmap的长度降到6时他又转为链表。红黑树节点的空间占用相较于普通节点要高出许多，通常只有在比较极端的情况下才会由单链表转化为红黑树。
数组和链表完了之后再看下红黑树的源码:
//红黑树的树形结点
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
//父节点
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
//左子树
TreeNode<K,V> left;
//右子树
TreeNode<K,V> right;
// 链表中的节点，用于在删除元素的时候可以快速找到它的前置节点
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
//颜色属性
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
/**
* Returns root of tree containing this node.
*/
//返回当前节点的根节点
final TreeNode<K,V> root() {
for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
if ((p = r.parent) == null)
return r;
r = p;
}
}
它是一个继承自LinkedHashMap中的Entry类，关于LinkedHashMap.Entry这个类我们后面再讲,而且红黑树源码其实是挺复杂的。
HashMap的构造函数
空参构造方法，全部使用默认值。
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
调用HashMap(int initialCapacity)构造方法，传入默认装载因子。
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
判断传入的初始容量和装载因子是否合法，并计算扩容门槛，扩容门槛为传入的初始容量往上取最近的2的n次方。
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//检查传入的容量是否合法
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +initialCapacity);
//如果指定的初始容量大于最大容量,置为最大容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//填充比为正
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
//新的扩容临界值
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
用m的元素初始化散列映射。
public HashMap(Map<!--? extends K, ? extends V--> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
//涉及到扩容机制的方法
putMapEntries(m, false);
}
put(K key, V value)方法
此方法为添加元素的入口，先看流程图。
public V put(K key, V value) {
// 调用hash(key)计算出key的hash值
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;
//tab为null则创建
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// (n - 1) & hash 计算元素在哪个桶中
// 如果这个桶中还没有元素，则把这个元素放在桶中的第一个位置
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
// 新建一个节点放在桶中
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//如果桶中有元素了
Node<K,V> e; K k;
//节点K存在且key和待插入的元素key相等，直接覆盖掉value
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
//判断该链为红黑树,则使用putTreeVal方法
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//该链为链表，binCount用于存储链表中元素的个数
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//链表长度大于8转换为红黑树进行处理
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 如果待插入的key在链表中找到了，则退出循环
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;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// 到这里了说明没有找到元素
//修改次数记录+1
++modCount;
// 元素数量加1，判断是否需要扩容
if (++size > threshold)
//扩容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
扩容机制，resize()方法
扩容(resize)就是重新计算容量，向HashMap对象里不停的添加元素，而HashMap对象内部的数组无法装载更多的元素时，对象就需要扩大数组的长度，以便能装入更多的元素。
final Node<K,V>[] resize() {
//原始数组
Node<K,V>[] oldTab = table;
//原始容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//原始扩容阈值
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
//当原始容量是最大的时，不再扩容
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//扩容为当前容量阈值的俩倍
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) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
// 如果第一个元素是树节点，则把这颗树打散成两颗树插入到新桶中去
((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;
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);
//搬移元素，原链表分化成两个链表，低位链表存储在原来桶的位置，高位链表搬移到原来桶的位置加旧容量的位置；
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
static final int tableSizeFor(int cap) {
// 扩容门槛为传入的初始容量往上取最近的2的n次方
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;
}
get和remove方法比较简单，就不分析了。 TreeNode(树节点)涉及到的方法后面会分析。
总结
（1）HashMap是一种散列表，采用（数组 + 链表 + 红黑树）的存储结构；
（2）HashMap的默认初始容量为16（1<<4），默认装载因子为0.75f，容量总是2的n次方；
（3）HashMap扩容时每次容量变为原来的两倍；
（4）当桶的数量小于64时不会进行树化，只会扩容；
（5）当桶的数量大于64且单个桶中元素的数量大于8时，进行树化(转为红黑树)；
（6）当单个桶中元素数量小于6时，进行反树化(转为链表)；
（7）HashMap是非线程安全的容器；
（8）HashMap查找添加元素的时间复杂度都为O(1)。
