Java集合(七)--基于jdk1.8的HashMap源码
一、背景：
HashMap在开发中经常用，面试源码方面也会经常问到，今天总结一下，包括在后面有相关面试题。
本文不会对红黑树代码由太多深入研究，特别是删除方面太复杂，面试也不会问到，知道红黑树基本实现原理就可以了。
源码基于jdk1.8，我们都知道1.8版本的HashMap有很大改变，通过数组+链表+红黑树实现。
二、图例：
关于链表和红黑树相关内容，可以参考：
三、源码：
1、基本结构：
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
}
继承了AbstractMap，实现Cloneable和Serializable接口，可以实现clone、序列化以及反序列化。
2、成员变量：
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 默认初始容量16，容量一定是2的次幂
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 最大容量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // 默认加载因子
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 树形化阈值，也就是当链表的节点个数大于等于这个值时，会将链表转化为红黑树
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 解除树形化阈值，也就是当链表的节点个数小于等于这个值时，会将红黑树转换成普通的链表
// 树形化的另一条件Map数组的长度阈值64。当数组的长度小于这个值时，就算树形化阈达标，链表也不会转化为红黑树，而是优先扩容数组resize()
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
transient Node<K,V>[] table; // 保存元素的内部数组
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; // 保存Entry的set
transient int size; // 当前存储的键值对的数量
transient int modCount; // 集合被修改的次数，用于迭代器的快速失败
int threshold; // 阈值=Capacity*loadFactor
final float loadFactor; // 加载因子
3、构造方法：
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0) // 初始容量<0，抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) // 初始容量 > MAXIMUM_CAPACITY，赋值为MAXIMUM_CAPACITY
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) // 初始容量<0，或者不是数字，抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); // 初始容量，返回的是initialCapacity的最小二次幂
}
5、tableSizeFor()：
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;
}
.>>>无符号右移，高位补0，最终返回最小二次幂，例如：cap=13，返回16，cap=17，返回32，因为容量要求为2的次幂。
6、Node：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; //key的hash值
final K key;
V value;
Node<K,V> next; //next node
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; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
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;
}
}
Node为HashMap的内部类，就是单向链表，比较简单。
TreeNode为红黑树的实现，看看就行，容易看的脑阔疼。
7、put()：
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true); // 调用putVal()
}
// onlyIfAbsent为false，可以update oldValue，为true，不会update
// evict为false，处于创建模式，HashMap中不起作用，在LinkedHashMap有作用
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) // 如果当前数组为null，或者数组的length为0，进行扩容(有初始化的作用)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // (n-1)&hash就是寻址，找到key对应的下标，对应位置如果没有数据，直接生成一个新的节点
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else { // 否则对应下标有值
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // key对应位置的首节点和key相同，直接覆盖value
e = p;
else if (p instanceof TreeNode) // 如果首节点是红黑树
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else { // 首节点为链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) { // 新生成一个节点，添加到链表尾部
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) //如果>=8-1，尝试进行树形化
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e; //
}
}
if (e != null) { // 覆盖oldValue
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount; // 修改次数+1
if (++size > threshold) // 如果元素个数大于阈值，进行扩容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
添加/修改流程：
1、判断数据是否为空，如果为null，通过resize()进行初始化
2、如果key对应位置为null，直接生成节点，假如数组对应位置
3、否则就是可以对应位置有值
3.1).变量p为key对应位置节点，如果直接和key相等，也就是这个node只是一个节点，不是链表或者红黑树，直接通过变量e保存p
3.2).如果p instanceof 为红黑树，添加到红黑树
3.3).如果p为链表，循环链表是否有对应key，true先保存下来，false，key对应节点添加到尾部，并判断链表长度是否 > TREEIFY_THRESHOLD - 1 = 7，true，尝试进行树形化
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) //判断数组长度与MIN_TREEIFY_CAPACITY，不大于64的情况下，进行扩容，而不是树形化
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { //树形化的具体步骤
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
//省略后面代码
}
}
4、覆盖oldValue
5、判断是否扩容
resize()：
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) {// oldCapacity > MAXIMUM_CAPACITY，赋值Integer.MAX_VALUE，直接返回
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) // 否则扩容为oldThreshold的2倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // oldCap = 0，oldThr > 0，将oldThr赋值给newCap
newCap = oldThr;
else { // oldCap = 0，oldThr = 0，进行初始化
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; // 新的阈值
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; // 生成一个新的数组
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) { // 如果对应下标有值
oldTab[j] = null; // oldTab对应下标设置为null，便于GC
if (e.next == null) // 如果对应下标位置只是数组，赋值到新数组
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode) // 如果对应下标位置为红黑树
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { //如果对应下标位置为链表
Node<K,V> loHead = null, loTail = null; // 需要存放到原来的位置
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; // 需要存放到原来的位置 + oldCap
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) { // hash对应oldCap的bit为0
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else { //hash对应oldCap的bit为1
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) { // hash对应oldCap的bit为0的key放到原位
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) { // hash对应oldCap的bit为1的key放到原位 + oldCap
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
resize()在jdk1.8和之前版本的区别：
举例：oldCapacity=8，之前hash等于3，11，19，27的key，index都是3
jdk1.7：需要重新对地址重新寻址，扩容之后Capacity=16，index分别为3，11，3，11，但是有一点是会把之前index的数据先添加到链表的尾部，再把链表添加到对应数组位置，所以会导致同一位置的数据发生倒置，代码如下
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
jdk1.8：不需要进行重新hash，上述四个key，通过hash&oldCapacity分别得到：0，8，0，8，结果为0的，保存到原index，其他保存在原index + oldCapacity，而且hash冲突的数据扩容之后不会倒置。
总结：是否rehash、hash冲突的数据顺序是两个版本的主要区别。
PS：原数组如果存在null，扩容之后null仍然存在。
8、remove()：
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { //hash对应位置的数据不为null
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //如果对应下标位置只是数组
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode) //如果对应下标位置为红黑树
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else { //如果对应下标位置为链表
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) { //对应这三种情况，分别删除
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
else
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
9、get()：
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;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
也没啥好说的，也是三种情况下(数组、红黑树、链表)的搜索。
10、遍历：
public static void main(String[] args) throws IOException {
HashMap<Integer,String> map = new HashMap(4);
map.put(1, "a");
map.put(2, "b");
map.put(3, "c");
map.put(4, "d");
map.keySet().forEach((key) -> {
System.out.println(key + " " + map.get(key));
});
map.values().forEach((value) -> {
System.out.println(value);
});
Set<Map.Entry<Integer,String>> entry = map.entrySet();
entry.forEach((entry1) -> {
System.out.println(entry1.getKey() + " " + entry1.getValue());
});
Iterator<Map.Entry<Integer,String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
Map.Entry<Integer,String> mapEntry = iterator.next();
System.out.println(mapEntry.getKey() + " " + mapEntry.getValue());
}
}
如果只是获取key/value，可以使用keySet()和values()。
否则建议使用后两种。
四、面试题：
1、为什么HashMap的Capacity要保持2的次幂？
1).因为HashMap寻址通过(length - 1) & hash，如果length不是2的次幂，例如10，通过前面的表达式，很多位置永远不可能被使用，例如0001，0100等。
也就不能通过(length - 1) & hash来实现取模，位运算的效率是远远高于取余%运算的。包括resize()操作等，这些实现都需要修改。
2).如果不是这样计算下标位置的方法不能通过(length - 1) & hash实现，因为[]table有些位置永远不可能被占用，从而造成浪费。所以HashMap通过tableSizeFor()来保证Capacity一定是2的次幂。
2、jdk1.8和之前版本对于HashMap实现的区别？
1、取消了成员变量Capacity，保存到threshold。
2、链表和红黑树的转化，有两个条件，链表到红黑树的查询效率：从O(N)变成O(logn)。
3、扩容resize()实现不同。
4、hash()实现不同。
3、HashMap的Node[]序列化
和其他集合的实现相同，都是通过重写writeObject()和readObject()实现自定义序列化，把Node[]通过transient修饰。
4、HashMap的table为什么是transient的
因为HashMap是基于HashCode的，HashCode作为Object的方法，是native的。
这意味着HashCode和底层实现相关，不同的虚拟机可能有不同的HashCode算法。再进一步说得明白些就是，可能同一个Key在虚拟机A上的HashCode=1，在虚拟机B上的HashCode=2，在虚拟机C上的HashCode=3。
所以自己通过writeObject()达到序列化的目的。
5、hashmap和hashtable区别：
1、HashMap的初始容量为16，扩容为2倍，Hashtable初始容量为11，扩容为2倍+1，两者的填充因子默认都是0.75。
2、HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现。
3、两者计算hash的方法不同。
4、hashtable的key和value都不能为null，而hashmap都可以。
5、hashtable线程安全，hashmap线程不安全。
6、HashMap的key和value能为null吗？
key和value都可以为null，但是只能保存一个。key为null的元素保存在数组的下标0位置。
发生扩容null照样存在。
HashMap<Integer,String> map = new HashMap(4);
map.put(null, null);
map.put(null, null);
map.put(2, "b");
map.put(3, "c");
map.put(4, "d");
map.put(5, "d");
Set<Map.Entry<Integer,String>> entry = map.entrySet();
entry.forEach((entry1) -> {
System.out.println(entry1.getKey() + " " + entry1.getValue());
});
输出结果：
null null
2 b
3 c
4 d
5 d
