深入理解Java中的HashMap
本文主要說的是jdk1.8版本中的實現。而1.8中HashMap是數組+鏈表+紅黑樹實現的，大概如下圖所示。后面還是主要介紹Hash Map中主要的一些成員以及方法原理。
那么上述圖示中的結點Node具體類型是什么，源碼如下。Node是HashMap的內部類，實現了Map.Entery接口，主要就是存放我們put方法所添加的元素。其中的next就表示這可以構成一個單向鏈表，這主要是通過鏈地址法解決發生hash沖突問題。而當桶中的元素個數超過閾值的時候就換轉為紅黑樹。
//hash桶中的結點Node,實現了Map.Entrystatic class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; V value; Node<K,V> next; //鏈表的next指針 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; } //重寫Object的hashCode public final int hashCode() {return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); } public final V setValue(V newValue) {V oldValue = value;value = newValue;return oldValue; } //equals方法 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; }}//轉變為紅黑樹后的結點類static final class TreeNode<k,v> extends LinkedHashMap.Entry<k,v> { TreeNode<k,v> parent; // 父節點 TreeNode<k,v> left; //左子樹 TreeNode<k,v> right;//右子樹 TreeNode<k,v> prev; // needed to unlink next upon deletion boolean red; //顏色屬性 TreeNode(int hash, K key, V val, Node<k,v> next) {super(hash, key, val, next); } //返回當前節點的根節點 final TreeNode<k,v> root() {for (TreeNode<k,v> r = this, p;;) { if ((p = r.parent) == null)return r; r = p;} }}
上面只是大概了解了一下HashMap的簡單組成，下面主要介紹其中的一些參數和重要的方法原理實現。
二、HashMap的成員變量以及含義//默認初始化容量初始化=16static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16//最大容量 = 1 << 30static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//默認加載因子.一般HashMap的擴容的臨界點是當前HashMap的大小 > DEFAULT_LOAD_FACTOR * //DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 0.75F * 16static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//當hash桶中的某個bucket上的結點數大于該值的時候，會由鏈表轉換為紅黑樹static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//當hash桶中的某個bucket上的結點數小于該值的時候，紅黑樹轉變為鏈表static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;//桶中結構轉化為紅黑樹對應的table的最小大小static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;//hash算法,計算傳入的key的hash值，下面會有例子說明這個計算的過程static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);} //tableSizeFor(initialCapacity)返回大于initialCapacity的最小的二次冪數值。下面會有例子說明static final int tableSizeFor(int cap) { 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;}//hash桶transient Node<K,V>[] table;//保存緩存的entrySettransient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;//桶的實際元素個數 != table.lengthtransient int size;//擴容或者更改了map的計數器。含義：表示這個HashMap結構被修改的次數，結構修改是那些改變HashMap中的映射數量或者//修改其內部結構（例如，重新散列rehash）的修改。 該字段用于在HashMap失敗快速（fast-fail）的Collection-views//上創建迭代器。transient int modCount;//臨界值，當實際大小（cap*loadFactor）大于該值的時候，會進行擴充int threshold;//加載因子final float loadFactor;2.1、hash方法說明
//hash算法static final int hash(Object key) { int h; //key == null : 返回hash=0 //key != null //（1）得到key的hashCode：h=key.hashCode() //（2）將h無符號右移16位 //（3）異或運算：h ^ h>>>16 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}
假設現在我們向一個map中添加元素，例如map.put('fsmly','test')，那么其中key為'fsmly'的hashCode的二進制表示為0000_0000_0011_0110_0100_0100_1001_0010，按照上面的步驟來計算，那么我們調用hash算法得到的hash值為：
該方法的作用就是：返回大于initialCapacity的最小的二次冪數值。如下實例
//n=cap-1=5; 5的二進制0101B。>>> 操作符表示無符號右移，高位取0//n |= n>>>1: (1)n=0101 | 0101>>>1; (2)n=0101 | 0010; (3)n = 0111B //n |= n>>>2: (1)n=0111 | 0111>>>2; (2)n=0111 | 0011; (3)n = 0111B//n |= n>>>4: (1)n=0111 | 0111>>>4; (2)n=0111 | 0000; (3)n = 0111B//n |= n>>>8: (1)n=0111 | 0111>>>8; (2)n=0111 | 0000; (3)n = 0111B//n |= n>>>16:(1)n=0111 | 0111>>>16;(2)n=0111 | 0000; (3)n = 0111Bstatic final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; //n<0返回1 //n>最大容量，返回最大容量 //否則返回n+1(0111B+1B=1000B=8) return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;}
再看下面這個：
//至于這里為什么減1，當傳入的cap為2的整數次冪的時候，減1即保證最后的計算結果還是cap，而不是大于cap的另一個2的//整數次冪，例如我們傳入cap=16=10000B.按照上面那樣計算//n=cap-1=15=1111B.按照上面的方法計算得到：// n |= n>>>1: n=1111|0111=1111;后面還是相同的結果最后n=1111B=15.//所以返回的時候為return 15+1;int n = cap - 1; 三、HashMap的構造方法
我們看看HashMap源碼中為我們提供的四個構造方法。我們可以看到，平常我們最常用的無參構造器內部只是僅僅初始化了loadFactor，別的都沒有做，底層的數據結構則是延遲到插入鍵值對時再進行初始化，或者說在resize中會做。后面說到擴容方法的實現的時候會講到。
//（1）參數為初始化容量和加載因子的構造函數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); //閾值為大于initialCapacity的最小二次冪}//（2）只給定初始化容量，那么加載因子就是默認的加載因子：0.75public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}//（3）加載因子為默認的加載因子，但是這個時候的初始化容量是沒有指定的，后面調用put或者get方法的時候才resizepublic HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}//（4）將傳遞的map中的值調用putMapEntries加入新的map集合中，其中加載因子是默認的加載因子public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false);}四、HashMap元素在數組中的位置
不管增加、刪除、查找鍵值對，定位到哈希桶數組的索引都是很關鍵的第一步，所以我們看看源碼怎樣通過hash()方法以及其他代碼確定一個元素在hash桶中的位置的。
//計算map中key的hash值static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}//這一小段代碼就是定位元素在桶中的位置。具體做法就是：容量n-1 & hash. //其中n是一個2的整數冪，而(n - 1) & hash其實質就是hash%n,但//是取余運算的效率不如位運算與，并且(n - 1) & hash也能保證散列均勻，不會產生只有偶數位有值的現象p = tab[i = (n - 1) & hash];
下面我們通過一個例子計算一下上面這個定位的過程，假設現在桶大小n為16.
我們可以看到，這里的hash方法并不是用原有對象的hashcode最為最終的hash值，而是做了一定位運算，大概因為如果(n-1)的值太小的話，(n - 1) & hash的值就完全依靠hash的低位值，比如n-1為0000 1111，那么最終的值就完全依賴于hash值的低4位了，這樣的話hash的高位就玩完全失去了作用，h ^ (h >>> 16)，通過這種方式，讓高位數據與低位數據進行異或，也是變相的加大了hash的隨機性，這樣就不單純的依賴對象的hashcode方法了。
五、HashMap的put方法分析5.1、put方法源碼分析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; //table == null 或者table的長度為0，調用resize方法進行擴容 //這里也說明：table 被延遲到插入新數據時再進行初始化 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length; // 這里就是調用了Hash算法的地方，具體的計算可參考后面寫到的例子 //這里定位坐標的做法在上面也已經說到過 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)// 如果計算得到的桶下標值中的Node為null，就新建一個Node加入該位置(這個新的結點是在//table數組中)。而該位置的hash值就是調用hash()方法計算得到的key的hash值tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //這里表示put的元素用自己key的hash值計算得到的下表和桶中的第一個位置元素產生了沖突，具體就是 //(1)key相同，value不同 //(2)只是通過hash值計算得到的下標相同，但是key和value都不同。這里處理的方法就是鏈表和紅黑樹 else {Node<K,V> e; K k;//上面已經計算得到了該hash對應的下標i，這里p=tab[i]。這里比較的有：//(1)tab[i].hash是否等于傳入的hash。這里的tab[i]就是桶中的第一個元素//(2)比較傳入的key和該位置的key是否相同//(3)如果都相同，說明是同一個key，那么直接替換對應的value值(在后面會進行替換)if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //將桶中的第一個元素賦給e，用來記錄第一個位置的值 e = p;//這里判斷為紅黑樹。hash值不相等，key不相等；為紅黑樹結點else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); //加入紅黑樹//判斷為鏈表結點else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) {//如果達到鏈表的尾部if ((e = p.next) == null) { //在尾部插入新的結點 p.next = newNode(hash, key, value, null); //前面的binCount是記錄鏈表長度的，如果該值大于8，就會轉變為紅黑樹 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash); break;}//如果在遍歷鏈表的時候，判斷得出要插入的結點的key和鏈表中間的某個結點的key相//同，就跳出循環,后面也會更新舊的value值if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break;//e = p.next。遍歷鏈表所用p = e; }}//判斷插入的是否存在HashMap中，上面e被賦值，不為空，則說明存在，更新舊的鍵值對if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value; //用傳入的參數value更新舊的value值 afterNodeAccess(e); return oldValue; //返回舊的value值} } //modCount修改 ++modCount; //容量超出就擴容 if (++size > threshold)resize(); afterNodeInsertion(evict); return null;}5.2、put方法執行過程總結
可以看到主要邏輯在put方法中調用了putVal方法，傳遞的參數是調用了hash()方法計算key的hash值，主要邏輯在putVal中。可以結合注釋熟悉這個方法的執行，我在這里大概總結一下這個方法的執行：
1.首先 (tab = table) == null || (n = tab.length) == 0這一塊判斷hash桶是否為null，如果為null那么會調用resize方法擴容。后面我們會說到這個方法
2.定位元素在桶中的位置，具體就是通過key的hash值和hash桶的長度計算得到下標i，如果計算到的位置處沒有元素(null)，那么就新建結點然后添加到該位置。
3.如果table[i]處不為null，已經有元素了，那么就表明產生hash沖突,這里可能是三種情況
①判斷key是不是一樣，如果key一樣，那么就將新的值替換舊的值；
②如果不是因為key一樣，那么需要判斷當前該桶是不是已經轉為了紅黑樹，是的話就構造一個TreeNode結點插入紅黑樹；
③不是紅黑樹，就使用鏈地址法處理沖突問題。這里主要就是遍歷鏈表，如果在遍歷過程中也找到了key一樣的元素，那么久還是使用新值替換舊值。否則會遍歷到鏈表結尾處，到這里就直接新添加一個Node結點插入鏈表，插入之后還需要判斷是不是已將超過了轉換為紅黑樹的閾值8，如果超過就會轉為紅黑樹。
4.最后需要修改modCount的值。
5.判斷插入后的size大小是不是超過了threshhold，如果超過需要進行擴容。
上面很多地方都涉及到了擴容，所以下面我們首先看看擴容方法。
六、HashMap的resize方法分析6.1、resize方法源碼擴容(resize)就是重新計算容量，具體就是當map內部的size大于DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY ，就需要擴大數組的長度，以便能裝入更多的元素。resize方法實現中是使用一個新的數組代替已有的容量小的數組。
//該方法有2種使用情況：1.初始化哈希表(table==null) 2.當前數組容量過小，需擴容final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; //oldTab指向舊的table數組 //oldTab不為null的話，oldCap為原table的長度 //oldTab為null的話，oldCap為0 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; //閾值 int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { //這里表明oldCap！=0，oldCap=原table.length();if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; //如果大于最大容量了，就賦值為整數最大的閥值 return oldTab;}// 如果數組的長度在擴容后小于最大容量 并且oldCap大于默認值16(這里的newCap也是在原來的//長度上擴展兩倍)else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) newThr = oldThr << 1; // double threshold雙倍擴展threshhold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold//這里的oldThr=tabSizeFor(initialCapacity),從上面的構造方法看出，如果不是調用的//無參構造，那么threshhold肯定都會是經過tabSizeFor運算得到的2的整數次冪的,所以可以將//其作為Node數組的長度(個人理解)newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults(零初始閾值表示使用默認值)//這里說的是我們調用無參構造函數的時候(table == null,threshhold = 0)，新的容量等于默//認的容量，并且threshhold也等于默認加載因子*默認初始化容量newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } // 計算新的resize上限 if (newThr == 0) {float ft = (float)newCap * loadFactor; //容量 * 加載因子newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } threshold = newThr; @SuppressWarnings({'rawtypes','unchecked'}) //以新的容量作為長度，創建一個新的Node數組存放結點元素 //當然，桶數組的初始化也是在這里完成的 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; //原來的table不為null 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; //原table中下標j位置不為null if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null; //將原來的table[j]賦為null，及時GC？if (e.next == null) //如果該位置沒有鏈表，即只有數組中的那個元素 //通過新的容量計算在新的table數組中的下標：(n-1)&hash newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) //如果是紅黑樹結點，重新映射時，需要對紅黑樹進行拆分 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // 鏈表優化重hash的代碼塊 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do {//上面判斷不是紅黑樹，那就是鏈表，這里就遍歷鏈表，進行重新映射next = e.next;// 原位置if ((e.hash & oldCap) == 0) { //loTail處為null，那么直接加到該位置 if (loTail == null) loHead = e; //loTail為鏈表尾結點，添加到尾部 elseloTail.next = e; //添加后，將loTail指向鏈表尾部，以便下次從尾部添加 loTail = e;}// 原位置+舊容量else { //hiTail處為null，就直接點添加到該位置 if (hiTail == null)hiHead = e; //hiTail為鏈表尾結點，尾插法添加 elsehiTail.next = e; hiTail = e;} } while ((e = next) != null); // 將分組后的鏈表映射到新桶中 // 原索引放到bucket里 if (loTail != null) {//舊鏈表遷移新鏈表,鏈表元素相對位置沒有變化; //實際是對對象的內存地址進行操作 loTail.next = null;//鏈表尾元素設置為nullnewTab[j] = loHead; //數組中位置為j的地方存放鏈表的head結點 } // 原索引+oldCap放到bucket里 if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead; }} }} } return newTab;}6.2、(e.hash & oldCap) == 0分析
我這里添加上一點，就是為什么使用 (e.hash & oldCap) == 0判斷是處于原位置還是放在更新的位置（原位置+舊容量），解釋如下：我們知道capacity是2的冪，所以oldCap為10...0的二進制形式(比如16=10000B)。
（1）若判斷條件為真，意味著oldCap為1的那位對應的hash位為0(1&0=0,其他位都是0,結果自然是0)，對新索引的計算沒有影響，至于為啥沒影響下面就說到了。先舉個例子計算一下數組中的下標在擴容前后的變化：
從上面計算發現，當cap為1的那位對應的hash為0的時候，resize前后的index是不變的。我們再看下面，使用上面的hash值，對應的就是 (e.hash & oldCap) == 0，恰好也是下標不變的
（2）若判斷條件為假，則 oldCap為1的那位對應的hash位為1。比如新下標=hash&( newCap-1 )= hash&( (16<<2) - 1)=10010，相當于多了10000，即 oldCap .如同下面的例子
從上面計算發現，當cap為1的那位對應的hash為1的時候，resize前后的index是改變的。我們再看下面，使用上面的hash值，對應的就是 (e.hash & oldCap) != 0，恰好下標就是原索引+原容量
這一部分其實和put方法中，使用鏈地址法解決hash沖突的原理差不多，都是對鏈表的操作。
// 原位置if ((e.hash & oldCap) == 0) { //loTail處為null，那么直接加到該位置 if (loTail == null) loHead = e; //loTail為鏈表尾結點，添加到尾部 elseloTail.next = e; //添加后，將loTail指向鏈表尾部，以便下次從尾部添加 loTail = e;}// 原位置+舊容量else { //hiTail處為null，就直接點添加到該位置 if (hiTail == null)hiHead = e; //hiTail為鏈表尾結點，尾插法添加 elsehiTail.next = e; hiTail = e;}
我們直接通過一個簡單的圖來理解吧
resize代碼稍微長了點，但是總結下來就是這幾點
判斷當前oldTab長度是否為空，如果為空，則進行初始化桶數組，也就回答了無參構造函數初始化為什么沒有對容量和閾值進行賦值，如果不為空，則進行位運算，左移一位，2倍運算擴容。擴容，創建一個新容量的數組，遍歷舊的數組：如果節點為空，直接賦值插入如果節點為紅黑樹，則需要進行進行拆分操作（個人對紅黑樹還沒有理解，所以先不說明）如果為鏈表，根據hash算法進行重新計算下標，將鏈表進行拆分分組（相信看到這里基本上也知道鏈表拆分的大致過程了）
七、HashMap的get方法分析7.1、get方法源碼基本邏輯就是根據key算出hash值定位到哈希桶的索引，當可以就是當前索引的值則直接返回其對于的value，反之用key去遍歷equal該索引下的key，直到找到位置。
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; //計算存放在數組table中的位置.具體計算方法上面也已經介紹了 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {//先查找是不是就是數組中的元素if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first;//該位置為紅黑樹根節點或者鏈表頭結點if ((e = first.next) != null) { //如果first為紅黑樹結點，就在紅黑樹中遍歷查找 if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); //不是樹結點，就在鏈表中遍歷查找 do {if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null);} } return null;}
以上就是深入理解Java中的HashMap的詳細內容，更多關于Java HashMap的資料請關注好吧啦網其它相關文章！
相關文章：
網公網安備