HashMap的底层实现原理
- 2022-01-05 10:51:41
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1.HashMap底层实现原理
jdk7中HashMap的实现原理
HashMap map = new HashMap()
实例化后，底层创建一个长度为16的一维数组Entry[]表。
map.put(key1,value1)
首先调用key1所在类的hashCode()计算key1的hash值。经过一些算法计算，哈希值存储在Entry数组中。
如果该位置的数据为空，则表示key1-value1添加成功。
如果这个位置的数据不为空，(表示这个位置有一个或多个数据(以链表的形式))，比较key1和一个或多个现有数据的hash值：
如果key1的hash值与现有数据的hash值不同，则key1-value1添加成功。
如果key1的hash值与已有数据(key2-value2)的hash值相同，则继续比较：调用key1所在类的equals(key2)方法。如果equals()返回false，则key1-value1添加成功。如果equals() 返回true，则将Value2 替换为value1。
如果添加成功，key1-value1 和原始数据存储在一个链表中。
在不断增加的过程中，会涉及到产能扩张的问题。当超过临界值(且要存储的位置不为空)时，将扩大容量。默认的扩容方式是将容量扩容到原来容量的两倍，然后复制原来的数据。
与jdk7相比，jdk8中HashMap的实现是不同的
实例化new HashMap()时，底层不会创建长度为16的数组。
jdk 8的底层数组是Node，不是Entry。
第一次调用 put() 方法时，底层会创建一个长度为 16 的数组。
jdk7的底层结构只是数组+列表。jdk8的底层结构是数组+链表+红黑树。当链表形式的数组的某个索引位置的元素个数大于8，且当前数组的长度大于64时，该索引位置的数据改为存储在红黑树中。
2.HashMap的源码分析
jdk7中HashMap的源码：
实例化一个HashMap时，空参数构造函数如下。默认情况下，HashMap 的容量为 16，负载因子为 0.75
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
进一步调用带参数的构造函数，最大容量_容量为2^30，如果传输的容量小于16，则向左移动增加到16。阈值是指扩展的临界值。超过临界值时应开始膨胀。阈值 = 容量 * 填充因子。然后创建Entry数组
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity
* @param loadFactor the load factor
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
* or the load factor is nonpositive
*/
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);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
init();
}
添加元素调用put()方法，源码如下
当key为null时，HashMap处理单独返回putForNullKey(value)，然后计算key的hash值。它通过哈希值和数组的长度来计算数组的位置。如果该位置没有值，则直接存储。如果位置有值，就会判断hash值是equal()还是key值。如果相同，则将旧数据替换为新数据。
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = 值；
e.recordAccess(this);
返回旧值；
}
}
modCount的++;
addEntry(hash, key, value, i);
返回空；
}
/ **
* 将具有指定键、值和哈希码的新条目添加到
指定的存储桶中。
如果合适，此* 方法负责调整表的大小。
*
* 子类覆盖它以改变 put 方法的行为。
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? 哈希（键）：0；
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
/ **
* 与 addEntry 类似，只是在创建条目时使用此版本
* 作为 Map 构造或“伪构造”（克隆、
* 反序列化）的一部分。此版本无需担心调整表格大小。
*
* 子类覆盖它以改变HashMap(Map)、
* clone 和readObject 的行为。
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
尺寸++；
}
jdk8中HashMap的源码：
实例化HashMap时，空参数构造函数如下。默认加载因子为0.75，但没有指定默认长度，即不创建长度为16的数组。
/**
* 构造一个空的<tt>HashMap</tt>，默认初始容量
*（16）和默认负载因子（0.75）。
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 所有其他字段默认
}
jdk 8的底层数组是Node，不是Entry
/**
* 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;
put() 方法进一步调用 putVal() 方法。第一次调用元素时，会调用reset()方法来扩展容量。数组中的存储位置是通过 和 运算计算出来的。如果位置没有值，则直接存储在元素中。如果位置已经有值，首先判断hash值是否相等。如果哈希值相等且键值或相等也相等，则替换它们。如果hash值相等，key值和equals不相等，进入for循环，遍历链表中的所有值，看是否不等于所有值的key和equals。如果存储的值相同，则直接跳出循环并替换它们。当一个新值被放入链表时，我们需要判断 tree if_ threshold 的值(默认为 8)。如果链表的长度大于默认值，则调用 treeifyBin() 方法将其转换为红黑树。转换为红黑树时，如果此时数组为空或数组长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY(树状化时最小哈希表容量，默认为64)，则应进行reset扩展操作。这个 min_ TREEIFY_ 能力的值至少是树 if_ 阈值的四倍。如果此时数组为空或数组长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY(节点树状化时的最小哈希表容量，默认为64)，则应执行重置扩展操作。这个 min_ TREEIFY_ 能力的值至少是树 if_ 阈值的四倍。如果此时数组为空或数组长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY(节点树状化时的最小哈希表容量，默认为64)，则应执行重置扩展操作。这个 min_ TREEIFY_ 能力的值至少是树 if_ 阈值的四倍。
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
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)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
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 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
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) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
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 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;
}
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