jdk1.8 HashMap源码讲解

1. 开篇名义　　

jdk1.8中hashMap发生了一些改变，在之前的版本中hsahMap的组成是数组+链表的形式体现，而在1.8中则改为数组+链表+红黑树的形式实现，通过下面两张图来对比一下二者的不同。

 jdk1.8之前的hashMap存储结构示意图，图片来自网络     

　　jdk1.8之前的hashMap结构图,基本对象为Entry<k,v>

           jdk1.8的hashMap存储结构示意图，图片来自网络

             jdk1.8的hashMap结构图，基本对象改为了Node<k,v>

注意：无论Entry<key,value>还是Node<key,value>都实现了 Map.Entry<K,V> 接口；

下面的内容将不在讨论关于jdk1.7的内容，重点讨论一下jdk1.8中hashMap的相关代码实现

2. HashMap类概览（实现的接口、继承的类，以及成员变量）

复制代码
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    // 序列号
    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
    // 默认的初始容量是16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
    // 最大容量
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
    // 默认的填充因子0.75f,可以在创建hashMap时指定
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    // 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
    // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    // 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小长度，即：当数组的长度大于64并且桶的长度大于8同时满足时，才会触发由链表变为红黑树
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
  /* ---------------- Fields -------------- */
   transient Node<k,v>[] table; // 存储元素的数组，总是2的幂次倍，由tableSizeFor(int cap)方法计算得出，思考为什么要用transient关键字修饰
   transient Set<map.entry<k,v>> entrySet; // 存放具体的元素的集 

   transient int size; // 存放元素的个数

   transient int modCount; //每次扩容和更改map结构的计数器
   int threshold; //临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容 
   final float loadFactor;   //hashTable的填充因子，用于实际参与运算的加载因子

 }
复制代码

3. HashMap构造函数

 3.1 HashMap的空参构造函数

    /**
     * HashMap的空参构造函数，该函数就做了一件事：
     * 初始化转载因子，经默认的转载因子(0.75)赋值给loadFactor
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

 3.2 HashMap的单参构造函数

    /**
     * 单参数构造函数，指定hashMap的初始数组长度值
     * 
     */
    public HashMap(int initialCapacity) {
       //调用本类中（int，float）构造函数，测试转载因子为默认值
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

 3.3 HashMap(int ,fioat)型构造函数

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public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {  //指定初始容量和转载因子
    // 初始容量不能小于0，否则报错
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                            initialCapacity);
    // 初始容量不能大于最大值（1<<30），否则为最大值
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    // 填充因子不能小于或等于0，不能为非数字
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                            loadFactor);
    // 初始化填充因子                                        
    this.loadFactor = loadFactor;
    // 初始化threshold大小,根据传入值的大小重新计算初始hashMap数组的长度临界值
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);    
} 
复制代码

3.4 HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)型构造函数

        /**
         * 根据传人的Map映射构造一个新的HashMap
         */
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

 

复制代码
//putMapEntries函数会将传进的map放到新的hashMap中
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        // 判断table是否已经初始化
        if (table == null) { // pre-size
            // 未初始化，s为m的实际元素个数
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                    (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            // 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 将m中的所有元素添加至HashMap中
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}
复制代码

3.5 总结

    • 空参构造，初始化加载因子为默认值
    • 单参数构造，指定数组初始长度（并非实际的长度，实际长度会根据tableSizeFor(int cap)函数进行计算，该构造函数自动调用双参数构造函数
    • 双参构造函数，指定数组的实际长度（通过计算后直接获得）和加载因子；
    • 传人键值对映射

　　注意：除了最后一种构造函数调用了putVal()方法进行了数组创建之外，其他构造方法只是在维护成员属性，并没有实际进行创建，创建数组实在putVal()方法中执行的

4.核心方法

4.1 根据初始值计算Map数组的初始长度

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    /**
     * Returns a power of two size for the given target capacity.
　　　* 返回大于给定值的最小的2的倍数　
     */
    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;          
        n |= n >>> 1;     //无符号右移动，并坐|运算，获取小于等于n的的最大值
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }
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思考：　　

  • 　　首先为什么cap-1?

　　　　这是为了防止，cap已经是2的幂。如果cap已经是2的幂， 又没有执行这个减1操作，则执行完后面的几条无符号右移操作之后，返回的capacity将是这个cap的2倍。

  • 　　为什么是分别后移1、2、4、8 、16？    

　　　　　　正好是倍数关系，这样正好能保证比原始数据小的低位全部变为1，并且保证了效率，第一次移动一位后前两位变成11，再移动四位正好能将刚才的两位数再降位变成1111，再移动4位　　　　正好将1111继续降位到后边

  • 　　为什么不继续无符号右移32位？

　　　　　　因为hashMap的最大数为1<<30，经过上面的多次移动，一共移动了1+2+4+8+16,已经超过了30位

4.2 hashMap的put()

1     public V put(K key, V value) {
2         return putVal(hash(key), key, value, false, true);    //在putVal()方法中进行第一次的数组创建
3     }

 

4.3 putVal()源码(最核心的方法)

　　

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 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        Node<K, V>[] tab;
        Node<K, V> p;
        int n, i;
        // 步骤①：tab为空则创建 
        // table未初始化或者长度为0，进行扩容
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 步骤②：计算index，并对null做处理  
        // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //用&运算代替%运算，提高运算效率，前提是数组长度n需要时2de整数倍，长度的确定由4.1中tableSizeFor确定
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
            // 桶中已经存在元素 
        else {
            Node<K, V> e;
            K k;
            // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value 
            // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等 
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 将第一个元素赋值给e，用e来记录
                e = p;
                // 步骤④：判断该链为红黑树
                // hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 放入树中 
                e = ((TreeNode<K, V>) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                // 步骤⑤：该链为链表
                // 为链表结点
            else {
 　　         // 在链表最末插入结点
　　              for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
　　             // 到达链表的尾部
　　              if ((e = p.next) == null) {
　　　　            // 在尾部插入新结点 
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 结点数量达到阈值，转化为红黑树 
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                            // -1 for 1st 
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
                    if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    // 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表 
                    p = e;
                }
            }
            // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
            if (e != null) {
                // 记录e的value 
                V oldValue = e.value;
                // onlyIfAbsent为false或者旧值为null 
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    //用新值替换旧值 
                    e.value = value;
                // 访问后回调  
                afterNodeAccess(e);
                // 返回旧值 
                return oldValue;
            }
        } // 结构性修改
        ++modCount;
        // 步骤⑥：超过最大容量 就扩容 
        // 实际大小大于阈值则扩容 
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 插入后回调  
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
复制代码

 

 

 

  • 判断键值对数组table[i]是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容；
  • 根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table[i]不为空，转向③；
  • 判断table[i]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value，否则转向④，这里的相同指的是hashCode以及equals；
  • 判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对，否则转向⑤；
  • 遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；
  • 插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。

      4.4 hash算法（计算key的hash值）

复制代码
       /**
     * 计算key.hashcode（）并将哈希的高位扩展到低位。按照官方的说法，无符号右移是为了让高位参与运算，提高计算的均衡性；
　　　*　因为int h为占4个字节共32位，无符号右移16位正好一半，使用^进行运算时为了尽可能保留数据的原始特征
     *     
     */

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
复制代码

 4.5 扩容逻辑

　　

复制代码
final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
　　　　　//原始数组边界值
        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)//如何扩容2倍以后小于最大值并且原始长度大于等于默认初始值
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        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"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        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;
                            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;
    }
复制代码

 

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