jdk1.8 HashMap源码

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什么是哈希表:

哈希表是一种数据结构,key-value型,可以通过其key高效地找到value

jdk1.8中是数组+链表/红黑树 结构实现的,把key通过hash算法映射到桶位数组下标中,如果发生冲突则以拉链法追加到该桶位的链表中,在查找时就可以根据key值进行hash运算,获取桶位下标从而高效获取对应的value值

实现源码

插入元素:put

    public V put(K key, V value) {
        //调用putVal函数(哈希key值,key,value,)
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    transient Node<K,V>[] table;
    
    //Implements Map.put and related methods.
    //Params:
    //@Params: hash – hash for key
    //@Params: key – the key
    //@Params: value – the value to put
    //@Params: onlyIfAbsent – if true, don't change existing value
    // 如果当前位置已存在一个值,是否替换,false是替换,true是不替换
    //@Params: evict – if false, the table is in creation mode.
    //Returns:
    //previous value, or null if none
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab;    // 桶位数组
        Node<K,V> p;    // 链表节点
        int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            // resize()函数 -> Initializes or doubles table size.
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            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))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    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;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

逐行看: 首先声明了两个变量:

        //一个Node数组 tab
        Node<K,V>[] tab; 
        //一个Node p
        Node<K,V> p; 

NodeHashMap的静态内部类

Basic hash bin node, used for most entries.

就是一个链表

    //Node 实现了 Map.Entry接口 (The Map.entrySet method returns a collection-view of the map, whose elements are of this class. )
    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);
        }
​
        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;
        }
    }

看到初始化时会调用resize()函数

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16   
​
​
    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //原数组非空
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if (
                //左移一位后 与 MAXIMUM_CAPACITY(最大容量) 比较
                (newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY 
                        &&
                // oldCap 是否大于等于 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 默认初始值
                oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold 扩大为原来的2倍
        }
        // 初始容量被设定了
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;  // 16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); // 0.75 * 16 = 12
        }
        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;
        // resize时 进行扩容的操作:对旧hashmap的元素进行迁移 
        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)
                        ((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);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

看着有点渗人 先看看整体的putVal()方法,其中调用resize()有两处:

        //第一处:当数组为null或长度为0时,进行初始化
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        ...
        //第二处:判断当++size超过阈值时,扩容
        if (++size > threshold)
            resize();

初始化会走:

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16   
​
​
    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;  //初始化时,oldCap = 0
        int oldThr = threshold; 
        int newCap, newThr = 0;
        //原数组非空
        if (oldCap > 0) {
            ...
        }
        // 初始容量被设定了
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {
            //初始化时走这里
            // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;  // 16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); // 0.75 * 16 = 12
        }
        if (newThr == 0) {
            ...
        }
        threshold = newThr;     // 12
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;         // 16
        // resize时 进行扩容的操作:对旧hashmap的元素进行迁移 
        if (oldTab != null) {   //这里不会进入
            ...
        }
        return newTab;  // 返回一个初始化后的Node<K,V>[]
    }

往HashMap中放入一个元素

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)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {  //桶位已经有元素了
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            //哈希值相等、同时equal相等,则把 e = p;
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 拉链法
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 如果链表长度大于8,转换成红黑树;这里注意数组如果容量小于MIN_TREEIFY_CAPACITY=64,则先resize()扩容 -> 来自 treeifyBin(tab,hash);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        // 存在则替代
        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)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

再看发生扩容的情况

想到了个版本进入插入超过阈值时扩容的函数resize()

        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();       // 在这里打一个断点
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;

put操作的流程:

  • 获取key的hash值:

    hash(key);
    
  • 对象的hashcode经过扰动函数hash(),使得此hash值更散列

  • 构造出Node

  • 路由算法:找出node应该存放的桶位(hash & (length-1))

逐步分析:

hash函数: hash()

    /**
     * 作用:让key的hash值的高16位也参与运算
     * h右移 16位(4*4)
     * 异或
     * h
     * (结果使得低16位具有高16位的特征)
     **/
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
​

寻址:

  • 最简单的情况:寻址找到的桶位是null => 构建Node放入桶位下标位置
        //第一次扩容
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 寻址找到的桶位为null
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

这个算法是 (数组长度-1) 按位与 hash

因为数组长度为2的整数次幂,再减去1后得到的二进制除符号位外全为1,此时进行按位与可取得余数

而且效率更高



  • 桶位已经有数据:即出现哈希冲突

进入else块

        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            // 进入
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            // 是红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                // 是链表
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    // 挨个比较
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 尾插节点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            // 链表长度大于8 进入treeifyBin()方法
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        // 找到后跳出for循环
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            // 替换
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }

扩容resize()

hashmap已经完成初始化后,一次正常的扩容流程:

        // oldTab 指向 当前table
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        // 声明新容量、新阈值
        int newCap, newThr = 0;
        // 正常扩容时, oldCap>0
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // 符合该条件,新的阈值翻倍
            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
            // 进入该判断的情况
            // 1、new HashMap(initCapacity,loadFactor);
            // 2、new HashMap(initCapacity);
            // 3、new HashMap(map);  //map有数据
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            // new HashMap();
            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;
        // 扩容前 table不为空
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    // 当前插入的桶位有数据
                    oldTab[j] = null;
                    // 桶位只有单个元素
                    if (e.next == null)
                        // 计算桶位存放的数组下标【选址算法:取余】
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    // 是黑树
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        // 桶位已经形成链表
                        
                        // 低位链表:存放在扩容之后的数组的下标位置,与当前数组的下标位置一致
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        // 高位链表:存放在扩容之后的数组的下标位置为 当前数组下标 + 扩容之前数组的长度
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            // 按位与 oldCap
                            // hash -> .... 1 1111 & 1 0000
                            // hash -> .... 0 1111 & 1 0000  => 0
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                // 高位为0,存放到低位链中
                                if (loTail == null)
                                    // 初始情况下,若loTail为null
                                    // 则赋予 loHead低位链头节点
                                    loHead = e;
                                else
                                    // 低位链末尾节点不为null
                                    // 让末尾节点下一个指针
                                    loTail.next = e;
                                // 移动末尾节点到下一个指针
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                // 高位非0,存放到高位链中
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        
                        // 低位链表有数据,处理低位链表
                        if (loTail != null) {
                            // 低位链表末尾节点指针置空
                            loTail.next = null;
                            // 放置在原位置
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        // 处理高位链表
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;

太秒了!

jdk1.8对链表的resize()扩容时的处理:

  • 遍历桶位(若是链表)

    • 把链表分成:高位链、低位链

    • 这里的划分算法是:hash & oldCap 【哈希值按位与旧容量】

    • 得到的结果: 旧容量为2的整数次幂,因此 即 按位与 ... 1 0000;

      • 最后低位若为0,则划分为低位链;【数组下标不变】
      • 若为1,则划分为高位链;【数组下标 = 原数组下标+oldCap】
    • 提高了效率

get方法

    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;
            //不止一个元素,则需要判断是红黑树还是链表
            if ((e = first.next) != null) {
                //红黑树
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                //链表
                do {
                    // hash值比较、equals比较
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

remove方法

    public V remove(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
    }
​
    /**
     * 同时匹配key和value才删除
     **/
    @Override
    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;   // n长度;index数组桶位
        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))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
                // 红黑树
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    // 链表
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            // node不为空,说明找到需要删除的数据,进入删除
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                 (value != null && value.equals(v)))) {
                // 1、node是红黑树【树结点移除】
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                // 2、桶位元素既为查找结果,则将该元素的下一个元素放置入桶位中
                else if (node == p)
                    tab[index] = node.next;
                else
                    // 3、是链表
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }