源码学习day2—HashMap

小纯洁
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源码阅读

  • HashMap源码中有六个重要属性

    • 初始化长度为16：static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
    • 最大长度为1073741824：static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    • 默认的加载因子0.75:static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    • 扩容红黑树条件（当链表长度大于8且容量大于64）：static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
    • 扩容红黑树条件（当元素小于6时）：static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    • 最小树容量：static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY =

  • 查询：Hash冲突时，需要判断key值是否相等

    public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    // 对 key 进行哈希操作
    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;
    // 非空判断
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 判断第一个元素是否是要查询的元素
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 下一个节点非空判断
        if ((e = first.next) != null) {
            // 如果第一节点是树结构，则使用 getTreeNode 直接获取相应的数据
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do { // 非树结构，循环节点判断
                // hash 相等并且 key 相同，则返回此节点
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

  • 新增

    public V put(K key, V value) {
    // 对 key 进行哈希操作
    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;
    // 哈希表为空则创建表
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 根据 key 的哈希值计算出要插入的数组索引 i
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 如果 table[i] 等于 null，则直接插入
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 如果 key 已经存在了，直接覆盖 value
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 如果 key 不存在，判断是否为红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 红黑树直接插入键值对
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 为链表结构，循环准备插入
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 下一个元素为空时
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 转换为红黑树进行处理	链表长度大于等于8
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //  key 已经存在直接覆盖 value
                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;
        }
    }
    ++modCount;
    // 超过最大容量，扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

  • 扩容

    final Node<K,V>[] resize() {
    // 扩容前的数组
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 扩容前的数组的大小和阈值
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    // 预定义新数组的大小和阈值
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        // 超过最大值就不再扩容了
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 扩大容量为当前容量的两倍，但不能超过 MAXIMUM_CAPACITY
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    // 当前数组没有数据，使用初始化的值
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        // 如果初始化的值为 0，则使用默认的初始化容量
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 如果新的容量等于 0
    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];
    // 开始扩容，将新的容量赋值给 table
    table = newTab;
    // 原数据不为空，将原数据复制到新 table 中
    if (oldTab != null) {
        // 根据容量循环数组，复制非空元素到新 table
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                // 如果链表只有一个，则进行直接赋值
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    // 红黑树相关的操作
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    // 链表复制，JDK 1.8 扩容优化部分
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // 原索引
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        // 原索引 + oldCap
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 将原索引放到哈希桶中
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 将原索引 + oldCap 放到哈希桶中
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

    • HashMap在扩容上，JDK1.7是重新计算每个元素的哈希值，而JDK1.8直接通过高位运算(e.hash & oldCap)来确定元素是否移动，key1的信息如下：

      • key1.hash = 10 0000 1010
      • oldCap = 16 0001 0000

      使用 e.hash & oldCap 得到的结果，高一位为 0，当结果为 0 时表示元素在扩容时位置不会发生任何变化，而 key 2 信息如下：

      • key2.hash = 10 0001 0001
      • oldCap = 16 0001 0000

      这时候得到的结果，高一位为 1，当结果为 1 时，表示元素在扩容时位置发生了变化，新的下标位置等于原下标位置 + 原数组长度

  • HashMap死循环

    在JDK1.7中，假设 HashMap 默认大小为 2，原本 HashMap 中有一个元素 key(5)，我们再使用两个线程：t1 添加元素 key(3)，t2 添加元素 key(7)，当元素 key(3) 和 key(7) 都添加到 HashMap 中之后，线程 t1 在执行到 Entry<K,V> next = e.next; 时，交出了 CPU 的使用权

    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next; // 线程一执行此处
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

    那么此时线程 t1 中的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7) ；之后线程 t2 重新 rehash 之后链表的顺序被反转，链表的位置变成了 key(5) → key(7) → key(3)

    当 t1 重新获得执行权之后，先执行 newTalbe[i] = e 把 key(3) 的 next 设置为 key(7)，而下次循环时查询到 key(7) 的 next 元素为 key(3)，于是就形成了 key(3) 和 key(7) 的循环引用，因此就导致了死循环的发生

    这里发生死循环的原因是 JDK 1.7 链表插入方式为首部倒序插入，这个问题在 JDK 1.8 里变成了了尾部正序插入

    注：HashMap为非线程安全的，多线程下，使用ConcurrentHashMap

面试题

1. HashMap 底层是如何实现的？在 JDK 1.8 中它都做了哪些优化

在JDK1.7中HashMap是以数组➕链表的形式组成

JDK1.8之后新增了红黑树的组成结构，当链表长度大于8且容量大于64时，链表结构会转换成红黑树结构

而之所以添加红黑树是因为，一旦链表过长，会严重影响HashMap的性能，而红黑树具有快速增删改查的特点

2. 为什么加载因子时0.75？

加载因子也叫扩容因子，即用来判断何时扩容，现源码中加载因子为0.75，故，若初始化长度为16，则当HashMap中有16*0.75=12个元素时，HashMap就会扩容

为什么加载因子时0.75？，主要是出于容量与性能之间的考虑

  • 若加载因子设置较小，扩容门槛变低，故会占用更多的空间，此时元素的存储较为稀疏，发生Hash冲突的可能性较小，故，操作性能较高
  • 若加载因子设置较大，扩容门槛提高，扩容发生频率较低，占用空间较小，但此时会发生Hash冲突的概率提高，故，需要更复杂的数据结果来存储元素，这样对元素的操作时间就会增加，运行效率降低
  • HashMap的容量（capacity）有一个固定的要求，必须为2的幂，所以负载因子为0.75时，capacity * 0.75的乘积结果为一个整数

所以综合考虑，选择了0.75来做为加载因子

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