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HashMap源码要点解析

HashMap源码要点解析

结构概览

HashMap在底层数据结构上采用了数组+链表+红黑树,通过散列映射来存储键值对数据。

特点:

  • 每个K都是独一无二的
  • 只允许一个key为null,可以有任意多个value为null
  • 元素是无需的,而且顺序会发生改变
  • 关键因子:数组容量和负载因子

关键点:

  • 负载因子,默认为0.75
  • 容量,默认为16,必须为2的幂(数组table的长度)
  • 实际最大容量=负载因子x容量,默认就是16x0.75=12(真正能的容量上限)

初始化

HashMap初始化并没有做太多的操作,有四个构造函数:

public HashMap(int initialCapacity) {
    //使用默认负载因子,传入的容量初始化
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
    
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
...
    //初始化负载因子
    this.loadFactor = loadFactor;
    //并没有直接初始化容量,而是计算出下次扩容的容量
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
     static final int tableSizeFor(int cap) {
        //不论你传入了什么,还是要计算出临近的2的幂
        int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }
  
    public HashMap() {
        //使用默认负载因子初始化负载因子
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
    }
    
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        //处理现有map的数据
        putMapEntries(m, false);
    }
    
 final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) {
                //如果当前map中的数组为空,则进行计算下一次扩容的长度
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            } else {
                 //如果当前map中的数组不为空
                //如果下次扩容的容量小于老map中数组的长度并且当前数组长度小于最大长度
                //则进行扩容
                while (s > threshold && table.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    resize();
            }

            //遍历传入的map,并将每一个元素添加到新的map里面
            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                //插入
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }
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数组长度问题

HashMap在初始化时并没有确定数组长度,实际上长度是在扩容在初始化的,在插入元素时,如果发现table为空或者达到了最大容量,就会进行扩容(初始化)而就是在这初始化时,会用到用户传入的数组长度,但是在该长度只影响初始化,后续每次扩容一般都为当前长度的两倍。 至于为什么Hash数组长度要是2的幂,看一下hash方法的计算代码:

 static final int hash(Object key) {
        int h;
        //扰动函数:右移16位,高低位进行异或运算
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
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上面代码中:右移16位, 正好是32bit的一半,将hash值高16位和低16位做异或,使得地位掺杂了高位的特征,降低代码随机性。 在putVal函数中,计算角标的方式为i = (n - 1) & hash,其中n为数组的长度。 其中(n-1)正好低位全部为1,高位全部归零(例如15位:00000000 00000000 00000000 00001111)。这样在与hash进行与运算时,只要进行低位的运算就行。只保留低位用来确定数组下标,加快计算速度。 具体分析可查看JDK 源码中 HashMap 的 hash 方法原理是什么?

插入

数据的插入最终都会走到putVla方法

  final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //数组为空或者长度为0,调用resize方法初始化
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //目标元素经hash计算后得到的下标位在数组中无数据,直接将数据插入到数组该下标处
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            //当下标位存在数据,发生了碰撞,此时p指向当前下标
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //对比key值,如果key值相同,说明需要更新数据
                //将e作为引用指向当前下标的实例对象
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                //红黑树的插入
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //链表的插入
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //不断的next找到链表的尾部,将数据插入到链表尾部
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //将链表转换成二叉树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //如果遇到key值相同的,说明该节点需要更新,记录节点结束循环
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    //讲e赋值给p,使得循环第一个if语句中的p.next得以进行    
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                //直接更新e节点的值
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        //容量
        ++modCount;
        //扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
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代码注释里写明了插入的流程,但是并没有说明链表向红黑树的转换以及红黑树的插入。由于篇幅原因,另起笔记讲。

扩容

 final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        //threshold为下次扩荣的容量(The next size value at which to resize (capacity * load factor))
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            //当数组长度不为0的时候执行
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                //如果当前长度达到了最大长度,直接返回,不进行扩容,任其碰撞
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            //没有超过就扩容为原来的2倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) 
            //如果oldThr大于0,也就是上次计算了下次扩容量,在上面讲的Hashmap初始化时可能会走到这里
            newCap = oldThr;
        else {
            //使用默认的长度初始化,无参初始化时就是在这里初始化了参数
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            //计算下次扩容的长度
            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) {
            //老的table不为空,则遍历老的数组,重新计算值的索引
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    //有值的情况下重新插入新的数组
                    oldTab[j] = null;
                    //当节点没有下一个元素,直接插入数组
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        //如果节点是红黑树,使用红黑树插入
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { //如果节点是链表
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            //当元素hash和老的index做&运算为0
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                //loTail为空,说明loHead也会空,是该下标位的第一个元素,讲第一个元素赋值给loHead
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else//否则直接在尾部插入元素
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;//向下遍历
                            }
                            //高位也一样,采用尾插法
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            //当元素hash和老的index做&运算为0,直接插入到老的下标位置
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            //当元素hash和老的index做&运算为0,插入到老的下标+老的数组length的位置
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }
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注释已经很详细了,这里详细记录一下链表的扩容方法

链表的扩容方法

只需要关注两个关键的点: 一、当元素的hash值和原数组长度的&运算为0,则元素在新数组中的下标位和老数组一样: 以老数组长度16为例子: 16的二进制 10000,与其进行&运算,只取元素的低有效位置,想要结果为0,则其最高位必修为0。也就是说hash值有效低位为:0**** 。 而扩容后,数组长度为32,进行hash运算时取size-1进行运算,扩容后为31,二进制为:11111,扩容前为15,二进制为:01111。 计算下标:0**** & 01111(15)= 0**** & 11111 (31); 二、当元素的hash值和原数组长度的&运算不为0,则元素在新数组中的下标位是老数组的下标位加上老数组长度: 同理,不为0时,说明hash值有效低位为:1**** ; 计算下标:1**** & 01111(15)= 1**** & 11111 (31) + 16;刚好是老数组的下标加上老数组的长度。

结语

关于红黑树的扩容和插入,因为篇幅原因,再另外一篇红黑树笔记里记述

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