2017-07-31 19:36:00
一、简介
1、HashMap作用及使用场景
HashMap利用数组+单向链表的方式,实现了key-value型数据的存储功能。HashMap的size永远是2^x的值,主要是为了更加均衡的使用数组位置。
2、存储key-value型数据的数据结构
如下代码,HashMap中定义了Node类,实现了Map.Entry接口,Entry接口只有set和get方法定义,极其简单。Node中定义了key、value、hash及指向下一个Node的指针next,Node类其实也可以作为单向链表。
3、HashMap的存储方式
HashMap采用数组+链表的方式存储数据,链表就是前面提到的Node类,数组如下:
4、HashMap几个重要参数
要想了解HashMap的扩容策略,先看看这几个默认值:
默认容量为16,最大容量为2^30,默认加载因子0.75f。后面3个TREEIFY相关的参数,都是使用tree存存数据时所用,暂时不用理会。
再看几个成员变量:
如上图:
table:存数据的数组;
entrySet:是entrySet()的返回值,被当做缓存,这样调用entrySet()方法时不用每次都重新创建一个Set对象;
size:key-value数据的数量;
modCount:防止并发修改的标志位;
threshold:临界值,超过这个临界值要需要扩容;
loadFactor:加载因子,用于计算临界值;
5、HashMap初始容量
HashMap的处理容量要么是默认值,要么使用用户设置的capacity,先看默认值。使用new HashMap()构造器,会使用默认capacity,代码如下:
奇怪了,这里怎么没有new数组呢?构造器中没有创建数组,说明数组的创建采用的是lazy策略,肯定要在put元素之前创建,要么数据存哪里?看看put方法,put方法调用了包级访问权限的putVal(),putVal()又调用了resize(),有如下代码:
看到了吧,如果table数组为null,在这里创建了数组。
那么用户设置了capacity的HashMap是如何初始化的?使用new HashMap(int capacity)构造器:
最终调用了这个构造器,加载因子是默认值。这里也并没有new数组,而是计算了临界值。Android的HashMap源码就清晰多了,不像这里搞这么繁琐。在前一张图片resize()方法中,如果table的size为0,且newThr大于0,则会按照newThr的大小创建数组。前面提到HashMap的size永远是2的幂次值,那现在看看newThr是怎么计算出来的?看看tableSizeFor()方法:
这个方法的作用找到最小的大于cap的2^n的值,so即便我们设置不是一个2^n的值,HashMap也会帮我们处理的。至于为什么一定要是2^n,后面再详细解释。
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注:以上分析基于jdk中HashMap源码,从现在开始使用Android的HashMap源码分析,主要原因是Android的HashMap源码中剔除了一些无用的代码,结构更加清晰,便于了解其原理。
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二、HashMap中一些重要的方法
1、put(K key, V value)及扩容原理
如上代码,如果加入的数据key=null,则执行如下逻辑:
继续看doubleCapacity()方法,扩容就意味着要增加数据的长度,HashMap直接是double,新数组创建后,需要将旧数组中的元素拷贝到新数据中,这就需要再次Hash确定元素在新数组中的位置。这是一个成本较高的操作,所以如果有条件,最好提前设置好Map的capacity。
先看一段JDK早期的扩容代码:
1 void transfer(Entry[] newTable) { 2 Entry[] src = table; 3 int newCapacity = newTable.length; 4 //假设旧的HashMap存在元素:11->22,33,位置分别在0和1 5 for (int j = 0; j < src.length; j++) { 6 //=============第1次循环============= 7 Entry<K,V> e = src[j];//j=0,e=11 8 if (e != null) { 9 src[j] = null;//清理旧数组中j位置,置为null 10 do { 11 Entry<K,V> next = e.next;//e=11,next=22 12 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//假设i=6 13 e.next = newTable[i];//e.next=null 14 newTable[i] = e;//newTable[6]=11 15 e = next;//e=22 16 } while (e != null); 17 18 do { 19 Entry<K,V> next = e.next;//e=22,next=null 20 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//假设i=6,newTable[6]=11 21 e.next = newTable[i];//e.next=11 22 newTable[i] = e;//newTable[6]=22 23 e = next;//e=null 24 } while (e != null); 25 } 26 27 //=============第2次循环============= 28 Entry<K,V> e = src[j];//j=1,e=33 29 if (e != null) { 30 src[j] = null; 31 do { 32 Entry<K,V> next = e.next;//next=null 33 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//假设i=8,newTable[8]=null 34 e.next = newTable[i];//e.next=null 35 newTable[i] = e;//newTable[8]=33 36 e = next;//e=null 37 } while (e != null); 38 } 39 } 40 //结束后的存储是:在新数组位置6和8,分别存储元素22->11,33 41 }
这段代码会将旧数组及链表中的元素挨个取出来,使用新数组的capacity再次计算出index,然后放到新数组index位置。如果同一个bucket中有多个元素构成链表,则会从链表头部依次取出元素,同样会在新数组对应的bucket中形成一个新链表,只不过链表元素的顺序是反的,看代码即可知道。
这里之所以使用比较旧的扩容方法,是因为这个方法更加简洁,能够更方便的搞清楚其工作原理。但是JDK中已经对这个方法做了较大的优化,尤其是JDK8,提高了性能。
期初理解这段代码的时候有个误区,主要集中在这2行代码:
1 e.next = newTable[i]; 2 newTable[i] = e;
总是转不过弯来,刚开始的理解是:e.next指向newTable[i],然后又把e自己放进newTable[i]位置,脑海中总把newTable[i]理解成一个固定的框,让自己的next指向这个框,然后再把自己放进这个框中,那岂不是框中自己的next指向自己所在的框?挺绕的,但是期初自己就陷入了这种很绕的境地。后来使用了如代码中注释那样的方式,才走出了这个迷魂阵。回过头来看,首先不存在一个实体的框,是我自己想象了一个框,把自己框在里面了。
其实e=src[j],只表示引用e指向src[j]目前指向的堆中元素X;
e.next=newTable[i],表示引用e中的next指向数组newTable[i]指向的元素,如果当前newTable[i]为null,没有指向任何元素,则说明e.next并没有指向任何堆中元素;
newTable[i]=e,表示数组newTable[i]位置指向e所指向的堆中元素,而不是把e放入newTable数组i位置;
对于引用关系,千万不要与实体位置对于起来,他们之间的关系仅仅是一条连线而已。一个引用a连着某个堆中对象X,对引用a的操作其实都是对X对象的操作;a如果指向了别的堆中对象,和X就没任何关系了。
2、get方法
get方法就很简单了,不用多说了。
3、remove方法
remove方法比较简单,看注释。
4、clear方法
简单粗暴,直接将数组中的每一个位置填充为null。
5、HashMap中的Iterator体系
为什么要说HashMap的Itaerator体系呢?因为HashMap中提供了遍历Entry、Key、Value三套机制,所有对应的要有3套Iterator方法,但是HashMap中采用继承机制,设计了一套优雅合理的Iterator体系,我们来一探究竟。
1 private abstract class HashIterator { 2 int nextIndex; 3 HashMapEntry<K, V> nextEntry = entryForNullKey; 4 HashMapEntry<K, V> lastEntryReturned; 5 int expectedModCount = modCount; 6 7 HashIterator() { 8 if (nextEntry == null) {//如果有key为null的元素,则优先遍历 9 HashMapEntry<K, V>[] tab = table; 10 HashMapEntry<K, V> next = null; 11 while (next == null && nextIndex < tab.length) {//找到数组中第一个不为null的元素 12 next = tab[nextIndex++]; 13 } 14 nextEntry = next; 15 } 16 } 17 18 public boolean hasNext() { 19 return nextEntry != null; 20 } 21 22 HashMapEntry<K, V> nextEntry() { 23 if (modCount != expectedModCount) 24 throw new ConcurrentModificationException(); 25 if (nextEntry == null) 26 throw new NoSuchElementException(); 27 28 //假设数组中有2个元素11和33,11只有一个链表元素22,33没有链表元素,运行如下: 29 //===================第1次调用==================== 30 HashMapEntry<K, V> entryToReturn = nextEntry;//nextEntry=11 31 HashMapEntry<K, V>[] tab = table; 32 HashMapEntry<K, V> next = entryToReturn.next;//next=22 33 while (next == null && nextIndex < tab.length) { 34 next = tab[nextIndex++];//不走这里 35 } 36 nextEntry = next;//nextEntry=22 37 return lastEntryReturned = entryToReturn;//lastEntryReturned=11 38 39 //===================第2次调用==================== 40 HashMapEntry<K, V> entryToReturn = nextEntry;//nextEntry=22 41 HashMapEntry<K, V>[] tab = table; 42 HashMapEntry<K, V> next = entryToReturn.next;//next=null 43 while (next == null && nextIndex < tab.length) { 44 next = tab[nextIndex++];//走这里,找数组中下一个不为null的元素33 45 } 46 nextEntry = next;//nextEntry=33 47 return lastEntryReturned = entryToReturn;//lastEntryReturned=22 48 49 //===================第3次调用==================== 50 HashMapEntry<K, V> entryToReturn = nextEntry;//nextEntry=33 51 HashMapEntry<K, V>[] tab = table; 52 HashMapEntry<K, V> next = entryToReturn.next;//next=null 53 while (next == null && nextIndex < tab.length) {//找不到其他非null元素 54 next = tab[nextIndex++]; 55 } 56 nextEntry = next;//nextEntry=null,下一次调用hasNext方法时会判断退出 57 return lastEntryReturned = entryToReturn;//lastEntryReturned=33 58 } 59 60 public void remove() { 61 if (lastEntryReturned == null) 62 throw new IllegalStateException(); 63 if (modCount != expectedModCount) 64 throw new ConcurrentModificationException(); 65 HashMap.this.remove(lastEntryReturned.key);//调用HashMap的remove方法 66 lastEntryReturned = null; 67 expectedModCount = modCount; 68 } 69 }
上面的代码做了一些注释,这是HashMap中Iterator体系中的最顶层的Itarator,可以发现这个Itarator并没有实现系统的Iterator接口,所以使用时不可强转。
6、其他Iterator
顶层设计已经搞好了,其他3个Itarator只需要按需定制即可,如下:
7、keySet()、values()和entrySet()方法
keySet返回HashMap中所有key的Set集合,继承自AbstractSet,使用的正是KeyIterator,如下:
values()方法返回HashMap中所有value的Collection,继承自AbstractCollection,如下:
entrySet返回HashMap中所有元素的Set集合,如下:
有个疑问,为什么keySet和entrySet都是Set集合,value却是Collection呢?虽然AbstractCollection提供了更丰富的操作,但好像不是理由。