Java8 HashMap实现原理探究
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9年前
来自： http://my.oschina.net/u/779531/blog/628506
前言：Java8之后新增挺多新东西，在网上找了些相关资料，关于HashMap在自己被血虐之后痛定思痛决定整理一下相关知识方便自己看。图和有些内容参考的这个文章：http://www.importnew.com/16599.html
HashMap的存储结构如图：一个桶（bucket）上的节点多于8个则存储结构是红黑树，小于8个是单向链表。
1：HashMap的一些属性
public class HashMap<k,v> extends AbstractMap<k,v> implements Map<k,v>, Cloneable, Serializable { 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(以前的版本也有叫加载因子的) static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // 这是一个阈值，当桶(bucket)上的链表数大于这个值时会转成红黑树，put方法的代码里有用到 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 也是阈值同上一个相反，当桶(bucket)上的链表数小于这个值时树转链表 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 看源码注释里说是：树的最小的容量，至少是 4 x TREEIFY_THRESHOLD = 32 然后为了避免(resizing 和 treeification thresholds) 设置成64 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // 存储元素的数组，总是2的倍数 transient Node<k,v>[] table; 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; 2：HashMap的构造方法
// 指定初始容量和填充因子的构造方法 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { // 指定的初始容量非负 if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException(Illegal initial capacity: + initialCapacity); // 如果指定的初始容量大于最大容量,置为最大容量 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // 填充比为正 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException(Illegal load factor: + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; // 指定容量后，tableSizeFor方法计算出临界值，put数据的时候如果超出该值就会扩容，该值肯定也是2的倍数 // 指定的初始容量没有保存下来，只用来生成了一个临界值 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); } // 该方法保证总是返回大于cap并且是2的倍数的值，比如传入999 返回1024 static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; // 向右做无符号位移 n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; // 三目运算符的嵌套 return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; } //构造函数2 public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } //构造函数3 public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted } 3：get和put的时候确定元素在数组中的位置
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } 要确定位置
第一步：首先是要计算key的hash码，是一个int类型数字。那后面的 h >>> 16 源码注释的说法是：为了避免hash碰撞(hash collisons)将高位分散到低位上了，这是综合考虑了速度，性能等各方面因素之后做出的。
第二步： h是hash码，length是上面Node[]数组的长度，做与运算 h & （length-1）。由于length是2的倍数-1后它的二进制码都是1而1与上其他数的结果可能是0也可能是1，这样保证运算后的均匀性。也就是hash方法保证了结果的均匀性，这点非常重要，会极大的影响HashMap的put和get性能。看下图对比：
图3.1是非对称的hash结果
图3.1是非均衡的hash结果
图3.2是均衡的hash结果
这两个图的数据不是很多，如果链表长度超过8个会转成红黑树。那个时候看着会更明显，jdk8之前一直是链表，链表查询的复杂度是O(n)而红黑树由于其自身的特点，查询的复杂度是O(log(n))。如果hash的结果不均匀会极大影响操作的复杂度。相关的知识这里有一个<a href="http://blog.chinaunix.net/uid-26575352-id-3061918.html">红黑树基础知识博客 </a>网上还有个例子来验证：自定义了一个对象来做key，调整hashCode()方法来看put值得时间
public class MutableKeyTest { public static void main(String args[]){ class MyKey { Integer i; public void setI(Integer i) { this.i = i; } public MyKey(Integer i) { this.i = i; } @Override public int hashCode() { // 如果返回1 // return 1 return i; } // object作为key存map里，必须实现equals方法 @Override public boolean equals(Object obj) { if (obj instanceof MyKey) { return i.equals(((MyKey)obj).i); } else { return false; } } } // 我机器配置不高，25000的话正常情况27毫秒，可以用2500万试试，如果hashCode()方法返回1的话，250万就卡死 Map<MyKey,String> map = new HashMap<>(25000,1); Date begin = new Date(); for (int i = 0; i < 20000; i++){ map.put(new MyKey(i), "test " + i); } Date end = new Date(); System.out.println("时间(ms) " + (end.getTime() - begin.getTime())); 4：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; // hash & (length-1)得到红黑树的树根位置或者是链表的表头 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { // 如果是树，遍历红黑树复杂度是O(log(n))，得到节点值 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<k,v>)first).getTreeNode(hash, key); // else是链表结构 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; } 5 ：put方法，put的时候根据 h & (length - 1) 定位到那个桶然后看是红黑树还是链表再putVal
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; // 如果tab为空或长度为0，则分配内存resize() if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // (n - 1) & hash找到put位置，如果为空,则直接put if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<k,v> e; K k; // 第一节节点hash值同，且key值与插入key相同 if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; else if (p instanceof TreeNode) // 红黑树的put方法比较复杂，putVal之后还要遍历整个树，必要的时候修改值来保证红黑树的特点 e = ((TreeNode<k,v>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { // 链表 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { // e为空，表示已到表尾也没有找到key值相同节点，则新建节点 p.next = newNode(hash, key, value, null); // 新增节点后如果节点个数到达阈值，则将链表转换为红黑树 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } // 容许空key空value if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } // 更新hash值和key值均相同的节点Value值 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; } 6：resize方法
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; } // 这一句比较重要，可以看出每次扩容是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 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; }