【源码笔记】浅析HashMap的构造方法及put方法（JDK1.7）
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引言
数据结构中，Hash的核心是使用一个hash函数将值映射到一个地址上，在后续查找的时候再通过这个hash函数计算得到这个地址。所以理想情况下Hash查找的时间复杂度是O(1)。
但是hash映射有可能会有冲突，两个不同的值，通过hash函数算出来的地址相同。比如，hash函数是：x%5，则5和10通过这个函数计算得到的地址都是0。这种情况就被称为hash冲突。
常见的Hash冲突解决办法有开放地址法、再哈希法、链地址法。
Hash函数+Hash冲突解决方法 就构成了一套hash算法
JDK1.7的HashMap的Hash函数是一个位运算计算公式：h & (length-1)。
- Java位运算符：Java移位运算符、复合位赋值运算符及位逻辑运算符
- 位运算比取余运算更高效
JDK1.7的HashMap的Hash冲突解决办法是：链地址法。
Ps.链地址法就是将所有hash地址相同的entry都挂在地址下，形如：
所以可以看出，查找hash地址相同的节点需要一个个遍历，时间复杂度为n，效率很低。 所以在1.8中该用了红黑树，红黑树是一个插入、查找时间复杂度都约为logn的数据结构，很大程度上提升了查找的性能。
代码讲解
属性
Entry<?,?>[] table
-
int size：map中键值对的数量 -
int threshold：table进行扩容的一个阈值，定义map中有多少元素时，map快满了。map size大于这个阈值，则有可能会对table进行扩容 -
float loadFactor：计算threshold的一个因子（threshold = table.length * loadFactor），默认值为0.75 -
int modCount：map中节点数的变更次数，一种类似乐观锁的机制。每次会影响map中的size的操作，都会使
modCount++。然后遍历map时，会先拿到此时的modCount，然后在遍历每个节点的时候去对比map的modCount和之前拿到的是否一致，如果不一致则说明有线程在你遍历的时候修改了map，所以就会抛出
ConcurrentModificationException。 -
int hashSeed：计算hash的一个参数key的hashcode会和hash seed做与运算，然后结果再进行一系列位运算，最终得到hash值。
然后再把hash值放进hash函数进行计算，得到hash地址
HashMap的空参构造方法
public HashMap() {
// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY -> 1 << 4，即为16
// DEFAULT_LOAD_FACTOR -> 0.75
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
// initial capcity 不能小于0
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
// initial capacity 最大为：1 << 30，即2的30次方
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 校验loadFactor
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
// 此时会让threshhold暂存initial capacity
// 在第一次put时，会扩充table，扩充的值为：>=threshold的最小2次幂数，threshold值会变为 table.length*loadFactor
// 所以虽然最初threshold是存的table的init capacity，但是在第一次put时就会让threshold回归其本来的作用（设置一个扩张table的阈值）
threshold = initialCapacity;
// 空的方法
init();
}
HashMap的put方法
put
public V put(K key, V value) {
// 如果table为空，则扩充table
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
// 放null值
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 根据key计算得到hash值
int hash = hash(key);
// 哈希函数：根据hash值计算得到在table中的下标（使用位运算）
int i = indexFor(hash, table.length);
// 得到下标所在的链表的表头
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)table[i];
// 遍历链表
for(; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 如果链表中的当前项和要插入的值相同，则使用新的值替换旧的值
// hash值同 && key同(引用的是同一个对象 或 equals）
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
// -------到此处说明table中原本没有节点的key和当前节点的key一样-------
// 将map节点的修改次数++
modCount++;
// 使用头插法添加一个节点
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
inflateTable
private void inflateTable(int toSize) {
// Find a power of 2 >= toSize
// 找到最小的，大于2次幂的数。toSize为17，则capacity为32
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
// 为threshhold、table赋值
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry<?,?>[capacity];
// 修改hashSeed
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
initHashSeedAsNeeded
final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
// hashSeed初始为0，所以初始currentAltHashing为false
boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;
// vm是否启动？
// 如无特殊设置，Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD值为Integer.MAX_VALUE。一般capacity不会这么大
// 所以useAltHashing一般为false
boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
// 如上面分析的，switching一般都为false，不会修改hashSeed
boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
if (switching) {
hashSeed = useAltHashing
? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)
: 0;
}
return switching;
}
putForNullKey
private V putForNullKey(V value) {
// 把null key放到table的第一个item下
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)table[0];
for(; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
// -------到此处说明table中原本没有null key-------
modCount++;
// 把null key的hash值直接定义为0
// 所以它是放在table的第一个item下
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
hash
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
// key的hashcode会和hash seed做与运算
h ^= k.hashCode();
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
indexFor
static int indexFor(int h, int length) {
// hash()计算得到的hash值，和table的length做并运算
// 若table length为16，则：
//
// Case1.
// h = 20 0001 0100
// length-1 = 15 0000 1111
// ---------
// index = 8 0000 0100
//
// Case2.
// h = 78 0100 1110
// length-1 = 15 0000 1111
// ---------
// index = 14 0000 1110
//
// 这就是为什么table的capacity必须是2次幂的原因，因为hash函数需要用capacity-1的值做位运算
return h & (length-1);
}
addEntry
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 如果当前table的length超过阈值，并且table[bucketIndex]上已有节点，则扩充table
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
// 生成一个capacity是原来两倍的table，然后将原来的table拷贝过去（重新计算hash）
resize(2 * table.length);
// 重新计算hash（resize中可能会改变hashSeed的值）
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
// 重新计算在hash在table中index
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
// 创建节点（使用头插法）
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
resize
void resize(int newCapacity) {
Entry<?,?>[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
// 原来的table已经达到了最大值（2的30次方），不扩容了
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
// 生成一个capacity为原来2倍的table
Entry<?,?>[] newTable = new Entry<?,?>[newCapacity];
// 把原来table中的entry挪到新table中
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
// 替换table
table = newTable;
// 更新threshhold
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
transfer
void transfer(Entry<?,?>[] newTable, boolean rehash) {
Entry<?,?>[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
// 遍历原来table的每个节点
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)src[j];
// 遍历table下链表的每个entry
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
// 是否重新计算hash值（如果hashSeed改变了，就需要重新计算hash值）
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
// 计算在新table中的的下标
// 根据indexFor()中计算下标的公式"h & (length-1)"可知
// 新下标要么和原来一样，要么是原来的下标+原来table的size
// 如：
// Case1.
// 原来table中的下标：
// h = 20 0001 0100
// length-1 = 15 0000 1111
// ---------
// index = 4 0000 0100
//
// 新table中的下标.
// h = 20 0001 0100
// length-1 = 31 0001 1111
// ---------
// index = 20 0001 0100
//
// Case2.
// 原来table中的下标：
// h = 78 0100 1110
// length-1 = 15 0000 1111
// ---------
// index = 14 0000 1110
//
// 新table中的下标：
// h = 78 0100 1110
// length-1 = 31 0001 1111
// ---------
// index = 14 0000 1110
//
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = (Entry<K,V>)newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
复制的过程：
HashMap并发下，死循环的问题：HashMap头插法循环问题
createEntry
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 头插法，过程和resize类似（差别就在于，没有循环e）
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
总结
JDK1.7中HashMap的hash算法：
- Hash函数：位运算计算公式：
h & (length-1) - Hash冲突解决办法：链地址法（插入方法：头插法）
JDK1.7中HashMap中的数据结构和算法还是很标准的基础数据结构，包括链表的头插法，也是链表的基础插入方法。将table的构建过程，和链表的插入方法模拟过一遍后，就能够理解这个对象的底层计算逻辑了。
HashMap为了增加运算的速度，用了很多位运算，主要用于hash值的计算，和hash地址的计算。
HashMap性能上的痛点在于：
- 链表的查找是简单的顺序查找，时间复杂度是n。这点在JDK1.8中改为了查找更快的树形数据结构——红黑树
- 扩容很耗费时间（需要遍历一遍将原来table中的所有entry，然后挪到另一个table中），所以开发时定义合适的初始大小能够提升性能
