Java中的容器（集合）之HashMap源码解析
1、HashMap源码解析（JDK8）
基础原理：
- 对比上一篇《Java中的容器（集合）之ArrayList源码解析》而言，本篇只解析HashMap常用的核心方法的源码。
- HashMap是一个以键值对存储的容器。
- hashMap底层实现为数组+链表+红黑树（链表超过8时转为红黑树，JDK7为数组+链表）。
- HashMap会根据key的hashCode得到对应的hash值，再去数组中找寻对应的数组位置（下标）。
- hash方法如下：
static final int hash(Object key) { int h; //hashCode()返回散列值，这是Object中的一个方法 // ^ 按位异或，& 按位与，|按位或；&&逻辑与，||逻辑或 // >>> 无符号右移 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
HashMap的一些属性：
- 关于其中加载因子属性（DEFAULT_LOAD_FACTOR ，loadFactor），主要是针对元素量而言，越大元素放的越多，空间利用率高，不过容易碰撞，查找时间多；越小元素放的越少，不容易碰撞，不过浪费空间，查找时间少。
- 关于threshold属性，它是HashMap的扩容标准，计算规则为容量*加载因子，比如默认情况为16*0.75=12，达到这个值的时候就会进行扩容（扩容操作比较耗费性能）。
- 源码及释义如下：
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，需为2的幂次方（为了减少哈希碰撞），<< 表示左移，运算规则为乘以2的n次方，1<<4=16 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 最大容量，如果由某个带参构造函数隐式的指定了更高的值，需为2的幂次方且小于1 << 30 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 构造函数中未指定时使用的加载因子，即默认加载因子 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // 当传入的节点大于2且至少为8的时候，链表节点转为红黑树 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 当节点小于为6的时候，红黑树退化为链表 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 红黑树中对应的最小表容量应该最少为4*TREEIFY_THRESHOLD，以避免在调整大小和红黑树阈值之间的冲突。 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // 在第一次使用的时候初始化表，且根据需要设置大小，分配的大小总是2的幂次方 transient Node<k,v>[] table; // 保存元素的集，需要注意的是，它使用的AbstractMap字段是keySet()和values()。 transient Set<map.entry<k,v>> entrySet; // 此映射中包含的键值映射数，键值是一个整体，不等于数组的长度（因为存在哈希碰撞之后的链表和红黑树） transient int size; // 每次扩容和更改map结构的计数器 transient int modCount; // 下一个要调整大小的大小值（容量*加载因子） int threshold; // hash表的加载因子 final float loadFactor; }
静态内部类Node：
- 源码及释义如下：
//静态内部类，实现了Map.Entry<K,V>接口 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash;//哈希值，用于与其他元素的哈希值进行比较 final K key;//键 V value;//值 Node<K,V> next;//下一个节点 //构造器 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; } }
JDK8增加了树节点静态内部类用于红黑树：
- 部分源码及释义如下：
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { TreeNode<K, V> parent; // red-black tree links TreeNode<K, V> left; TreeNode<K, V> right; TreeNode<K, V> prev; // needed to unlink next upon deletion boolean red; //判断是否为红 TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K, V> next) { super(hash, key, val, next); } /** * 返回包含此节点的树的根节点 */ final TreeNode<K, V> root() { for (TreeNode<K, V> r = this, p; ; ) { if ((p = r.parent) == null) return r; r = p; } } }
HashMap的构造器：
- 主要有四个，源码及释义如下：
/** * 指定容量以及加载因子构造一个空的HashMap */ public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); } /** * 指定容量以及默认加载因子0.75构造一个空的HashMap */ public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } /** * 以默认容量16以及默认加载因子0.75构造一个空的HashMap */ public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted } /** * 以另一个Map的键值对构造一个新的HashMap。新HashMap的容量最少足够存储旧HashMap的键值对数，加载因子为默认加载因子0.75 */ public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); }
- 其中第四个构造函数有用到putMapEntries()这个方法，其源码如下：
/** * 实现map.putall和map构造函数 */ final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { int s = m.size(); //判断m是否为空 if (s > 0) { //判断table是否初始化 if (table == null) { // pre-size //计算m的总容量，计算规则为使用容量/加载因子+1 float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; //将m总容量与HashMap规定的最大容量相比得到最终容量 int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); //判断最终容量是否大于扩容阈值（扩容阈值计算规则：容量*加载因子） if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } //如果m的键值对数大于扩容阈值，则进行扩容 else if (s > threshold) resize(); //将m中的键值对添加到新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); } } }
- 针对putMapEntries()方法中的扩容操作，可以查看resize()方法，源码及释义如下：
/** * 初始化表或者将表容量翻倍，如果为空则分配初始容量，否则以2的幂次方扩容，需要保持索引一致 * @return */ final Node<K,V>[] resize() { //得到表 Node<K,V>[] oldTab = table; //判断表是否初始化 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; int oldThr = threshold; int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { //如果旧容量大于最大值，则不扩容 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } //判断旧容量的两倍容量（左移表示乘以2的n次方）是否小于最大容量，且旧容量是否大于等于默认容量 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) //扩容两倍 newThr = oldThr << 1; // double threshold } //否则如果旧阈值大于0，则初始化容量设置为旧阈值 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults //否则新容量设置为默认容量（因为旧容量小于0） newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //新阈值设置为默认容量乘以默认加载因子，即16*0.75 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } //如果新阈值为0，则重新计算新阈值 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]; //此方法返回的新table //如果旧table为空，则初始化 table = newTab; //否则将旧table的值放入新table if (oldTab != null) { //旧table的值循环放入新table for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; //判断当前节点是否有值 if ((e = oldTab[j]) != null) { //旧table节点置为空 oldTab[j] = null; //如果该节点没有子节点，则返回新table，元素放入的位置为e的哈希值按位与（新容量-1） if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //否则如果该节点属于红黑树节点，将其切割赋给新红黑树 else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); //保持索引一致 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; //旧索引 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } //新索引 else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); //旧索引放入table if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } //新索引放入table if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
- 关于put的源码及释义如下（对应原理可以查看《Java中的容器（集合）》第七条）：
//put元素到map中 public V put(K key, V value) { //实际调用的是putVal()方法 return putVal(hash(key), key, value, false, true); } //putVal()方法用于实际操作插入元素 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //table未初始化，调用resize()进行扩容（使用的都是默认值） if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //判断(n - 1) & hash]索引处的table是否为空，为空，则插入新节点（table为空，此时插入的节点是在数组中） if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //table不为空 else { Node<K,V> e; K k; //判断节点的hash以及key是否相等，是则覆盖。 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //否则如果属于树节点，使用putTreeVal插入节点数据（putTreeVal是针对红黑树的putVal方法），有兴趣的可以看一下putTreeVal方法 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { //是一个链表 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { //判断是否到达链表末尾 if ((e = p.next) == null) { //在链表末尾插入数据 p.next = newNode(hash, key, value, null); //如果大于规则节点数（8），则转为红黑树存储 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); //跳出循环 break; } //判断插入元素与链表中原有元素的hash以及key是否相等 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //相等，跳出循环 break; //循环链表 p = e; } } //存在键值对的key if (e != null) { // existing mapping for key //存储旧值 V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //替换为新值 e.value = value; //访问后回调 afterNodeAccess(e); //返回旧值 return oldValue; } } ++modCount; //插入的时候，判断容量是否大于阈值 if (++size > threshold) //是，则进行扩容 resize(); //插入后回调 afterNodeInsertion(evict); return null; }
- 关于get的源码及释义如下：
//通过指定key从map中get值 public V get(Object key) { Node<K,V> e; //实际调用的是getNode()方法 return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; } //getNode()方法用于实际操作查询元素值 final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; //判断存在table是否初始化 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { //总是检查第一个节点，如果第一个节点与需要查询的节点的hash以及key相等，则返回第一个节点 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; //如果存在多个节点 if ((e = first.next) != null) { //如果属于红黑树，则调用红黑树中的getTreeNode方法查询，有兴趣的可以看一下getTreeNode方法 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); //否则在链表中查询 do { //如果链表节点与需要查询的节点的hash以及key相等，则返回链表节点 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
（以上所有内容皆为个人笔记，如有错误之处还望指正。）
