Java源码详解二：HashMap源码分析--openjdk java 11源码

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HashMap.java介绍
1.HashMap的get和put操作平均时间复杂度和最坏时间复杂度
2.为什么链表长度超过8才转换为红黑树
3.红黑树中的节点如何排序

本系列是Java详解，专栏地址：Java源码分析

第一篇文章：Java详解（1）：HashMap介绍，HashMap的迭代，HashMap的线程安全问题

HashMap.java介绍

HashMap官方文档：HashMap (Java Platform SE 8 )
HashMap.java源码共2445行,下载地址见我的文章：Java源码下载和阅读（JDK1.8/Java 11)

文件地址：openjdk-jdk11u-jdk-11.0.6-3/src/java.base/share/classes/java/util

从下图中我们可以看出HashMap继承自AbstractMap

实际继承如下：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {}

在代码开始前的注释里说明了Hash table与Hash map的区别：

1.Hash map允许空key与空的value
2.HashMap不是线程安全的，Hashtable是线程安全的。‘’

文档中还提到：

HashMap不保证key的顺序。
对map进行迭代花费的时间跟capacity (the number of buckets) 乘以size (the numberof key-value mappings)成正比。所以如果你经常要迭代，那么初始的capacity不要设置太高，或者load factor太小
对一个HashMap实例，有2个因素影响性能，一个是初始化时设置的capacity，另一个是load factor。
capacity就是hash table有多少个桶。
load factor是指当hash table有多少个桶有数据时，capacity会增加。
当hash table的entry个数超过load factor*capacity时，hash table会进行rehash，也就是重建。rehash后hash table有接近2倍buckets的数量。
默认的load factor设置为0.75，能很好的平衡时间和空间。load factor更高可以减少空间浪费，但会增加查找成本。
如果预计HashMap会有很多key，那么可以在创建的时间就提供足够大的capacity，减少rehash开销。
如果有很多key有相同的hashCode，会降低map的性能。改善的方法是让key是Comparable。
HashMap不是synchronized的，意思是HashMap不是线程安全的。想要线程安全可以使用synchronizedMap，使用方法如下：Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));
HashMap的迭代器是fail-fast。如果迭代器创建后map的底层结构改变了，那么对迭代器的所有访问(除了remove)都会抛出异常ConcurrentModificationException。但迭代器并不能保证可以做到fail-fast，所以不要依赖异常和迭代器。

下面部分开始分析源码。
首先是构造函数：

    public HashMap() {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}

默认的load factor为0.75，默认的initial capacity为16。
如果指定initial capacity，还需对threshold进行初始化：

this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);

    /*** Returns a power of two size for the given target capacity.*/static final int tableSizeFor(int cap) {int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;}

然后我发现不对，就初始化2个参数，hashmap就初始化好了？

可以看到HashMap有个成员对象数组：

    /*** The table, initialized on first use, and resized as* necessary. When allocated, length is always a power of two.* (We also tolerate length zero in some operations to allow* bootstrapping mechanics that are currently not needed.)*/transient Node<K,V>[] table;

从注释中的说明，我们可以看出数组是在第一次使用后才初始化的，并且保证长度是2的倍数。初始化操作在putVal函数的开头：

        Node<K,V>[] tab; int n;if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;

resize函数的作用是初始化数组或者扩容数组。

查看put的具体操作：先是对key算了hash后，调用putVal函数。

    public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);}

哈希函数：

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

可以看到如果key是null，那么哈希的结果是0，否则的话对结果进行右移和异或。
异或操作的详细解释：JDK 源码中 HashMap 的 hash 方法原理是什么？ - 知乎
简单来说就是让哈希后的结果变得更加稀疏，分散。

查看putVal函数。如果哈希后的结果不存在数组中，那么直接存放：

        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

因为哈希后的结果是int范围的，要映射到数组的范围，最简单的做法就是直接进行与运算，所以数组的大小都是2的幂次。
如果数组中已经存在节点了，
1.先判断key是否相同，相同的话直接替换value
2.判断是否是TreeNode
3.向链表中添加节点，如果链表长度大于等于8，就把链表变成红黑树。（注：并不是长度大于等于8就一定会变为红黑树，容量要达到64后才能变为树）

            if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;else if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {for (int binCount = 0; ; ++binCount) {if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break;p = e;}}

删除节点时，当节点个数少于6个时，红黑树会转换成链表。

下面就是面试时容易被问到的题目：

1.HashMap的get和put操作平均时间复杂度和最坏时间复杂度

文档称：This implementation provides constant-time performance for the basic
operations get and put, assuming the hash function disperses the elements properly among the buckets.
翻译成中文就是：HashMap的get和put操作是常量时间复杂度的，O(1)时间复杂度，基于的前提是哈希函数将元素正确分散在存储桶中。
意思就是HashMap的get和put操作默认情况下都是O(1)的时间复杂度。最坏情况则是O(logN)，也就是红黑树的情况。

2.为什么链表长度超过8才转换为红黑树

1.因为红黑树的节点占用的空间大小为一般节点的2倍，所以没必要一开始就是红黑树。
2.理想情况下随机hashCode算法下所有桶中节点的分布频率会遵循泊松分布，一个桶中链表长度达到8个元素的概率为0.00000006，几乎是不可能事件。但如果用户实现了一个不好的哈希算法，那么就需要在长度超过8时转换为红黑树。

3.红黑树中的节点如何排序

先根据hashCode排序，相同的情况下调用compareTo方法。
但如果hashCode相同，类不是comparable的，那么先判断名字是否相同，相同的话再调用系统的hash方法进行判断：

if (d = a.getClass().getName().compareTo(b.getClass().getName()) == 0)
d = (System.identityHashCode(a) <= System.identityHashCode(b) ?-1 : 1);

参考：

JDK 源码中 HashMap 的 hash 方法原理是什么？ - 知乎
阿里面试题：为什么Map桶中个数超过8才转为红黑树
一文带你网罗HashMap面试考点！
How does Java 8’s HashMap degenerate to balanced trees when many keys have the same hash code? - Stack Overflow
面试官：HashMap 源码你都不知道还来面试？
《吊打面试官》系列-HashMap - 掘金