一、HashMap基础
1.1 简介
- Map：定义基本的增删除改查操作
- AbstractMap：模板方法，实现了一些基本方法
HashMap是使用数组+链表+红黑树的方式构成的，它与ConcurrentHashMap的主要区别就是一个是线程不安全，一个是线程安全，在代码上可能会有些差别，但是在计算容量，定位
索引等原理上是基本差不多的，想要更多的了解ConcurrentHashMap，请转移到ConcurrentHashMap博文。
1.2 字段说明
//HashMap的默认大小16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//HashMap的最大容量，2的30次方，有符号的int类型
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//负载因子，用于计算容量阈值，达到阈值后将发生扩容
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//转换成红黑树的阈值，hash数组下标上的某个链表如果达到8个以上（含8个），可能会转换成红黑树
//为什么是可能？除了节点个数达到8个以上（含8个），还要看hash数组的大小是否大于等于64，如果不大于，HashMap将优先使用扩容
//将节点重新hash
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//退化为链表的阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//这个就是转换为红黑树的hash数组最小容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//修改计数，通常用于迭代器循环的时候进行并发检查
//如果使用迭代器迭代元素的时候，发生删除或者添加元素，将抛出ConcurrentModificationException异常
transient int modCount;
1.3 hash操作
HashMap的计算某个key值的hash操作和ConcurrentHashMap是一样的，以下是HashMap计算hash值和进行索引定位的代码
//计算hash值
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
//索引定位
tab[i = (n - 1) & hash]
调用key自身的hashCode方法得到hash值，然后与hash值的高16进行异或。这么做是为了进行hash扰乱，将高16的变化能够得到体现。如果我们HashMap的数组的容量小于2的16次
方，而大部分的hash值都在高16位进行变化，那么他们进行 hash & (n - 1)得到的索引下标将不会变，导致严重的hash冲突，为了避免出现这样的情况，那么就需要将高16位发
生的变化也体现到低16位上。
Q: 为什么是异或而不是什么位或，位与呢？
A: 将一个hash值进行无符号右移之后，高16位为0，如果两个值进行相与，那么高16将全部变成零，丢失了高16，显然是不合适的，再者，如果低16位上某bit位上是零，那么
高16位上与之相对应的bit位即使发生了变化，它位与得到的值依然是0，无法体现出高16位的这种变化，如果是位或，高16位可以得到保留，但是低16位中只要有bit位为1的，那
么得到的bit位就是1，与之相对的高16对应位上的变化无法体现，举个例子
低16位 1001101101001111 1001101101001111
高16位 1001010010001000 --> 改变高位bit位 1001010010001101 --> 只改了第1位和第3位
位或 1001111111001111 1001111111001111 --> 没能体现出高16的第1位和第3位的变化
异或 0000111111000111 0000111111000010 --> 体现出了高16的第1位和第3位的变化
再来个更加残酷的例子
低16位 1111111111111111 1111111111111111
高16位 1001010010001000 --> 改变高位bit位 1111111111111111 --> 把高16位的bit位全部设置为1
-------------------- --------------------
位或 1111111111111111 1111111111111111 --> 不管高16位怎么变，这个值毫无改变，无法体现出高16的任何变化
异或 0000111111000111 0000000000000000 --> 体现出了高16的变化，如果此时高16任何一处的bit变成零，它都能捕捉到它的变化
另外，与一个全零的数进行异或等于本身
1001010010001000
^ 0000000000000000
--------------------
= 1001010010001000
所以hash值与hash >>> 16进行异或不仅不会导致高16位丢失，还能把高16的变化体现出来。
Q: 为什么 hash % n = (n - 1) & hash？
A: 首先先声明，只有当n为2次幂的值的时候，hash % n = (n - 1) & hash，为什么呢？hash对一个2次幂的值进行求余的时候，我们知道 hash / 2 ^ n = hash >>> n
其实hash向右移出去的值就是余数，对于一个n为2次幂的整数值，它的所有bit位上只有一个1，比如 16 = 000…10000，它是2的4次方的值，hash / 2 ^ 4 = hash >>> 4,
如果此时我们要得到hash被移出去的4位bit位怎么办？ 那当然是 hash & 000…01111 = hash & (16 - 1) 把16替换成n就变成了hash & (n - 1)
1.4 扩容
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
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
}
//如果还没有初始化，并且有设置阈值，那么将这个阈值设置为新的容量
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//如果没有初始化，设置为默认的容量16
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
//计算容量阈值，容量乘以 0.75，在ConcurrentHashMap中是通过 DEFAULT_LOAD_FACTOR - (DEFAULT_LOAD_FACTOR >> 2) 类似的操作
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
//通过新容量计算新的阈值
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;
if (oldTab != null) {
。。。。。。
}
return newTab;
}
首先检查是否已经初始化过，如果初始化过，那么扩容为原来的2倍，如果原来的容量大于默认的容量，那么相应的阈值也直接扩容为原来的2倍
要是还没有初始化，那么设置默认的容量
1.5 迁移
final Node<K,V>[] resize() {
。。。。。。省略扩容代码
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//将老的hash数组对应的数值置为null
oldTab[j] = null;
//如果hash数组对应的下标的元素只有一个节点，那么直接定位，将值移到新hash数组即可
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
//loHead：表示newIndex == oldIndex的节点链表中的头节点
//loTail：表示newIndex == oldIndex的节点链表中的尾节点
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
//hiHead：表示newIndex == oldIndex + oldCap的节点链表中的头节点
//hiTail：表示newIndex == oldIndex + oldCap的节点链表中的尾节点
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//hash值与旧容量相与，这种hash操作我们在ConcurrentHashMap那章研究过
//如果是零，节点的下标和原来一样，如果是1，那么下标等于 oldIndex + oldCap
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;
}
上面这段迁移代码除了没有锁，cas之外，原理和ConcurrentHashMap是一样的，感兴趣的可以移步到博文ConcurrentHashMap。HashMap在迁移链表和红黑树节点的时候，没有重
新计算节点的位置，而是通过 hash & oldCap 的方式去确定他们的位置，原理如下：
oldCap = 000...0010000
newCap = 000...0100000
新容量与旧容量的二进制相比，就是左移了一位，当他们减去1的时候
oldCap - 1 = 000...0001111
newCap - 1 = 000...0011111
当一个hash与上面两个值进行位与的时候，如果这个hash值的第5位的bit值为零，那么算出来的下标和原来是一样的，如果这个bit位为1，那么算出来的下标就是
oldIndex + oldCap
关于红黑树的部分可以移步到博文TreeMap
1.6 视图
1.6.1 KeySet
1.6.1.1 迭代
对于keySet我们主要研究下对应的迭代器KeyIterator
public final Iterator<K> iterator() {
return new KeyIterator();
}
|
|
V
// KeyIterator 继承自 HashIterator
HashIterator() {
//modCount是记录HashMap的修改次数
expectedModCount = modCount;
Node<K,V>[] t = table;
current = next = null;
index = 0;
if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
do {
//跳过null值，直到找到下一个节点
} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
}
final class KeyIterator extends HashIterator implements Iterator<K> {
//next
public final K next() {
return nextNode().key;
}
}
判断是否存在下一个节点
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
获取下一个节点
final Node<K,V> nextNode() {
Node<K,V>[] t;
Node<K,V> e = next;
//如果在循环的过程中，HashMap发生改变，那么抛出错误
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
//获取当前链表或者红黑树的下一个节点
if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
do {
//跳过null值，直到找到下一个节点链表或者红黑树的头节点
} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
return e;
}
1.6.1.2 删除
public final void remove() {
//获取迭代到的节点
Node<K,V> p = current;
if (p == null)
throw new IllegalStateException();
//如果发生并发修改抛出错误
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
current = null;
K key = p.key;
//调用HashMap的移除方法
removeNode(hash(key), key, null, false, false);
//更新新的修改计数值
expectedModCount = modCount;
}
1.6.2 EntrySet
下面是HashMap的entrySet方法
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> es;
return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
}
EntrySet使用的迭代器为EntryIterator，它是HashMap的内部类，其实和KeyIterator在原理上是一样的
public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return new EntryIterator();
}
迭代操作
final Node<K,V> nextNode() {
Node<K,V>[] t;
Node<K,V> e = next;
//如果在迭代的过程中发生修改，抛出错误
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
//获取当前链表或者红黑树的下一个节点
if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
do {
//循环找到下一个链表或者红黑树的头节点
} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
return e;
}
可以看出对视图的操作最终都会反映到HashMap上
二、总结
除了线程安全，CAS操作，计数机制外，HashMap与ConcurrentHashMap的原理基本一样。除此之外，与之相似的一个集合类叫HashSet，这个HashSet
内部直接关联了一个HashMap，下面是它的构造器
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
下面是它的add方法
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
PRESENT是一个固定的Object对象。
还有一个维护了节点添加顺序的类LinkedHashMap，它继承自HashMap，它除了将值put到HashMap中，它还用两个成员变量，head和tail用于维护一个单独的链表保持添加顺序，其主要逻辑在创建新节点的时候
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) {
LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e);
//将新创建的节点添加到链表尾部
linkNodeLast(p);
return p;
}
private void linkNodeLast(LinkedHashMap.Entry<K,V> p) {
LinkedHashMap.Entry<K,V> last = tail;
tail = p;
if (last == null)
head = p;
else {
p.before = last;
last.after = p;
}
}
当我们调用keySet和entrySet方法的时候，其内部使用的迭代器都是通过LinkedHashMap单独维护的链表进行遍历的。
