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HashMap源码解析

带着问题看HashMap源码(基于JDK8)



  • HashMap由于涉及到多个数据结构,所以变成了面试题的常客,下面带着以下几个面试常见问题去阅读JDK8中HashMap的源码

    1. HashMap底层数据结构
    2. HashMap的put过程
    3. HashMap的get过程
    4. HashMap如何扩容,扩容为啥是之前的2倍
    5. HashMap在JDK8中为啥要改成尾插法



1、HashMap底层数据结构



  • HashMap的数据结构是数组 + 链表 + 红黑树

    • 默认是存储的Node节点的数组

    Node<K,V>[] table;

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash; // 存储的key的hash值
    final K key; // key键
    V value; // value值
    Node<K,V> next; // 链表指向的下一个节点


    • 当Node节点中链表(next)长度超过8时会将链表转换为红黑树TreeNode(Node的子类)以提高查询效率

    static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;


  • Node[]数组的初始长度默认为16,并且必须为2^n的形式(具体原因下面会有解释)

/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
* 默认初始容量为16,并且必须为2的幂数
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16


  • HashMap默认的阈值threshold = 负载因子loadFactor(默认为0.75)*容量capacity,即初始时默认为16 * 0.75 = 12

    • 表示当hashMap中存储的元素超过该阈值时,为了减少hash碰撞,会对hashMap的容量Capacity进行resize扩容,每次扩容都是之前的2倍,扩容后会重新计算hash值即重新计算在新的存放位置并插入

    /**
    * The load factor used when none specified in constructor.
    * 当没有在构造中指定loadFactor加载因子时,默认值为0.75
    */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;



2、HashMap的put过程


put & putIfAbsent


/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
* 将指定的值与此映射中的指定键相关联。如果映射以前包含键的映射,则旧的值被替换
*
* @param key key with which the specified value is to be associated key值
* @param value value to be associated with the specified key key对应的Value值
* @return the previous value associated with key, or null if there was no mapping for key
* 当hashmap中已有当前key覆盖更新并返回旧的Value,如果没有返回null
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

// onlyIfAbsent参数为true,表示仅在不包含该key时会插入,已包含要插入的key时则不会覆盖更新
@Override
public V putIfAbsent(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, true, true);
}

hash方法计算key的hash值


// 通过key计算hash值
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

putVal相关代码


/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key key的hash值,通过hash方法获取
* @param key the key 键
* @param value the value to put 值
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 当已有key时是否覆盖更新
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none 返回旧的值,如果没有相同的key返回null
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 1、第一次put时table为null,就会触发resize,将初始化工作延迟到第一次添加元素时,懒加载
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 2、将hash值与size-1进行&运算得出数组存放的位置;当此位置上还未存放Node时
// 直接初始化创建一个Node(hash,key,value,null)并放置在该位置
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;e
// 3、假如该位置已经有值,但存储的key完全相同时,直接将原来的值赋值给临时e
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 4、假如该位置有值,key值也不同,先判断该Node是不是一个TreeNode类型(红黑树,Node的子类)
// 就调用putTreeVal方法执行红黑树的插入操作
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// 5、假如该位置有值,key值也不同,Node也不是一个TreeNode红黑树类型,
// 便会对链表进行遍历并对链表长度进行计数,遍历到链表中有相同key的节点会跳出遍历
// 当链表长度计数的值超过8(包含数组本身上的Node)时
// 就会触发treeifyBin操作即将链表转化为红黑树
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;
}
}
// 这里主要针对相同的key做处理,当onlyIfAbsent为true时就不覆盖,为false时覆盖更新
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 6、当hashMap存储的元素数量超过阈值就会触发resize扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

resize扩容相关代码


/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;、
// 针对后续扩容
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 这里针对构造器中自行设置了initialCapacity的情况
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
// 针对第一次put时,Node数组相关参数初始化
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"})
// 链表数组初始化
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
// 扩容时将旧的Node移到新的数组操作
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;
// 判断高位是1还是0
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;
}

put大致的流程总结



  1. 第一次put元素时会触发resize方法,其实是将hashMap的Node[]数组初始化工作进行了类似懒加载的处理
  2. 将hash值与capacity-1进行&运算计算出当前key要放置在数组中的位置;当该位置无值时就会直接初始化创建一个Node(hash,key,value,null)并放置在该位置,如果已有值就先判断存储和插入的key是否相等,相等的话通过onlyIfAbsent参数判定是否要覆盖更新并返回旧值
  3. 如果已有值并且与要存储的key不等,就先判定该Node是否是一个TreeNode(红黑树,Node的子类),是的话就调用putTreeVal方法执行红黑树的插入操作
  4. 如果已有值并且与要存储的key不等也不是一个红黑树节点TreeNode就会对Node链表进行遍历操作,遍历到链表中有相同key就跳出根据onlyIfAbsent参数判定是否要覆盖更新,如果没有便新建Node,放置在Node链表的Next位置;如果链表长度超过8时便会将链表转化为红黑树并重新插入
  5. 最后判断HashMap存储的元素是否超过了阈值,超过阈值便会执行resize扩容操作,并且每次扩容都是之前的2倍。扩容后重新进行hash&(capacity-1)计算元素的插入位置重新插入

image.png


3、HashMap的get过程


get方法执行



  • 实质上是调用的getNode方法

public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

getNode方法


/**
* Implements Map.get and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @return the node, or null if none
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 先判断Node数组是否为空或length为0或是否存储的值本身为null,如果是直接返回null
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 当匹配到节点数组上的Node的hash和key都相同时直接返回该Node
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
// 判断Node.next,如果为TreeNode红黑树类型就利用getTreeNode方法进行红黑树的查找
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
// 不是红黑树结构就是链表结构,进行链表遍历操作,直至找到链表中hash和key值都相等
// 的元素便返回该Node
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}

get大致的流程总结



  1. get方法实质调用的是getNode方法
  2. 首先通过hash(key)方法计算出key的hash值,再通过hash&(capacity-1)计算出要查找的Node数组中的元素位置
  3. 假如Node数组为null或者数组length为0或者该位置本身存储的元素就是null就直接返回null
  4. 假如该位置存储的元素不为null,直接对该位置的Node的hash和key进行匹配,假如都相等便匹配成功返回该Node
  5. 假如该数组上的Node不匹配就获取该Node的next元素,首先判断该元素是否是一个TreeNode红黑树节点类型的Node,如果是就利用getTreeNode方法进行红黑树的查找,找到返回该节点,找不到返回null
  6. 如果next节点的Node不是TreeNode表明是一个链表结构,直接循环遍历该链表,直至找到该值,或最后一个链表元素仍然不匹配就跳出循环返回null

4、HashMap如何扩容,扩容为啥是之前的2倍



  • HashMap中当存储的元素数量超过阈值时就会触发扩容,每次扩容后容量会变成之前的2倍
  • 因为扩容为2倍时,capacity-1转换成2进制后每一位都为1,使得hash&(capacity-1)计算得出要存放的新位置要么是之前的位置要么是之前的位置+ 之前的capacity,使得在扩容时,不需要重新计算元素的hash了,只需要判断最高位是1还是0就好了(hash&oldCapacity),一方面降低了hash冲突,一方面提升了扩容后重新插入的效率

image.png


5、HashMap在JDK8中为啥要改成尾插法



  • 参考:juejin.cn/post/684490…
  • HashMap在jdk1.7中采用头插入法,在扩容时会改变链表中元素原本的顺序,以至于在并发场景下导致链表成环的问题。而在jdk1.8中采用尾插入法,在扩容时会保持链表元素原本的顺序,就不会出现链表成环的问题了

作者:BTPJ
链接:https://juejin.cn/post/7038464097666465822
来源:稀土掘金
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

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