集合框架源码学习之HashMap(JDK1.8)

简介

HashMap主要用来存放键值对，它基于哈希表的Map接口实现，是常用的Java集合之一。与HashTable主要区别为不支持同步和允许null作为key和value，所以如果你想要保证线程安全，可以使用ConcurrentHashMap代替而不是线程安全的HashTable，因为HashTable基本已经被淘汰。

内部结构分析

JDK1.8之前：

JDK1.8之前HashMap底层是数组和链表结合在一起使用也就是链表散列。HashMap通过key的hashCode来计算hash值，当hashCode相同时，通过“拉链法”解决冲突。

所谓“拉链法”就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

简单来说，JDK1.8之前HashMap由数组+链表组成的，数组是HashMap的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的，如果定位到的数组位置不含链表（当前entry的next指向null）,那么对于查找，添加等操作很快，仅需一次寻址即可；如果定位到的数组包含链表，对于添加操作，其时间复杂度依然为O(1)，因为最新的Entry会插入链表头部，急需要简单改变引用链即可，而对于查找操作来讲，此时就需要遍历链表，然后通过key对象的equals方法逐一比对查找.

JDK1.8之后：

相比于之前的版本，jdk1.8在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

类的属性：

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16static 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的最小大小static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;// 存储元素的数组，总是2的幂次倍transient Node<k,v>[] table; // 存放具体元素的集transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;// 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。transient int size;// 每次扩容和更改map结构的计数器transient int modCount;   // 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int threshold;// 填充因子final float loadFactor;
}

(1)loadFactor加载因子

loadFactor加载因子是控制数组存放数据的疏密程度，loadFactor越趋近于1，那么数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，load Factor越小，也就是趋近于0，

loadFactor太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor的默认值为0.75f是官方给出的一个比较好的临界值。　

(2)threshold

threshold = capacity * loadFactor，当Size>=threshold的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 衡量数组是否需要扩增的一个标准。

Node节点类源码:

// 继承自 Map.Entry<K,V>
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中时用来与其他元素hash值比较final K key;//键V value;//值// 指向下一个节点Node<K,V> next;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; }// 重写hashCode()方法public final int hashCode() {return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);}public final V setValue(V newValue) {V oldValue = value;value = newValue;return oldValue;}// 重写 equals() 方法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;}
}

树节点类源码:

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {TreeNode<K,V> parent;  // 父TreeNode<K,V> left;    // 左TreeNode<K,V> right;   // 右TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletionboolean red;           // 判断颜色TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {super(hash, key, val, next);}// 返回根节点final TreeNode<K,V> root() {for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {if ((p = r.parent) == null)return r;r = p;}

LinkedList源码分析

构造方法

    // 默认构造函数。public More ...HashMap() {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted}// 包含另一个“Map”的构造函数public More ...HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法}// 指定“容量大小”的构造函数public More ...HashMap(int initialCapacity) {this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数public More ...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);}

putMapEntries方法：

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);}}
}

put方法

HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。

public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}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未初始化或者长度为0，进行扩容if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;// (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)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);// 桶中已经存在元素else {Node<K,V> e; K k;// 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;// 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);// 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 1sttreeifyBin(tab, hash);// 跳出循环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))))// 相等，跳出循环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valueV oldValue = e.value;// onlyIfAbsent为false或者旧值为nullif (!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;// 实际大小大于阈值则扩容if (++size > threshold)resize();// 插入后回调afterNodeInsertion(evict);return null;
}

get方法

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) {// 数组元素相等if (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return first;// 桶中不止一个节点if ((e = first.next) != null) {// 在树中getif (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);// 在链表中getdo {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null;
}

resize方法

进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免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) {// 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}// 没超过最大值，就扩充为原来的2倍else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr = oldThr << 1; // double threshold}else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in thresholdnewCap = oldThr;else { signifies using defaultsnewCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}// 计算新的resize上限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) {// 把每个bucket都移动到新的buckets中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 { Node<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {next = e.next;// 原索引if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}// 原索引+oldCapelse {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);// 原索引放到bucket里if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}// 原索引+oldCap放到bucket里if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}}return newTab;
}

HashMap常用方法测试

package map;import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Set;public class HashMapDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();// 键不能重复，值可以重复map.put("san", "张三");map.put("si", "李四");map.put("wu", "王五");map.put("wang", "老王");map.put("wang", "老王2");// 老王被覆盖map.put("lao", "老王");System.out.println("-------直接输出hashmap:-------");System.out.println(map);/*** 遍历HashMap*/// 1.获取Map中的所有键System.out.println("-------foreach获取Map中所有的键:------");Set<String> keys = map.keySet();for (String key : keys) {System.out.print(key+"  ");}System.out.println();//换行// 2.获取Map中所有值System.out.println("-------foreach获取Map中所有的值:------");Collection<String> values = map.values();for (String value : values) {System.out.print(value+"  ");}System.out.println();//换行// 3.得到key的值的同时得到key所对应的值System.out.println("-------得到key的值的同时得到key所对应的值:-------");Set<String> keys2 = map.keySet();for (String key : keys2) {System.out.print(key + "：" + map.get(key)+"   ");}/*** 另外一种不常用的遍历方式*/// 当我调用put(key,value)方法的时候，首先会把key和value封装到// Entry这个静态内部类对象中，把Entry对象再添加到数组中，所以我们想获取// map中的所有键值对，我们只要获取数组中的所有Entry对象，接下来// 调用Entry对象中的getKey()和getValue()方法就能获取键值对了Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());}/*** HashMap其他常用方法*/System.out.println("after map.size()："+map.size());System.out.println("after map.isEmpty()："+map.isEmpty());System.out.println(map.remove("san"));System.out.println("after map.remove()："+map);System.out.println("after map.get(si)："+map.get("si"));System.out.println("after map.containsKey(si)："+map.containsKey("si"));System.out.println("after containsValue(李四)："+map.containsValue("李四"));System.out.println(map.replace("si", "李四2"));System.out.println("after map.replace(si, 李四2):"+map);}}

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