HashMap源码解析
tourers
8年前
<p>在 Java8 之前， HashMap 是链表散列的数据结构，即数组和链表的结合体；从 Java8 开始，引入红黑树的数据结构和扩容的优化。</p> <p>分析版本： JDK1.8</p> <h2>Node</h2> <p>从 Java8 引入红黑树之后， HashMap 是由数组、链表和红黑树组成，发现源码有些地方与之前不同，那就是 Node ：</p> <pre> <code class="language-java">public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; V value; 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; } 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; } } } </code></pre> <p>Node ,也就是以前的 Entry ，内容没变，只是换了一种叫法。</p> <h2>put(K key, V value)</h2> <pre> <code class="language-java">public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { transient Node<K,V>[] table; 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; 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; } static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } final Node<K,V>[] resize() { .... } Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { return new Node<>(hash, key, value, next); } static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { .... } final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) { .... } void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { } void afterNodeInsertion(boolean evict) { } } </code></pre> <p>HashMap 使用哈希表来存储。哈希表为解决冲突，可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题，Java 中 HashMap 采用了链地址法。链地址法，就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构，当数据被Hash后，得到数组下标，把数据放在对应下标元素的链表上。</p> <p>当我们往 HashMap 中 put 元素的时候，先根据 key 的 hashCode 重新计算 hash 值，根据 hash 值再通过高位运算和取模运算得到这个元素在数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾，如果该链表超出 8 个的话，就转换成红黑树。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。</p> <h3>hash(Object key)</h3> <pre> <code class="language-java">public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { int n, i; if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//取模运算 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { .... } static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);//取hashCode值和高位参与运算 } } </code></pre> <p>定位位置的方法通过以上三个步骤得到，取 key 的 hashCode 的值，然后进行无符号右移 16 位，再与现有哈希桶数组的大小取模。通过 (n - 1) & hash 来得到该对象的保存位求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素，不用遍历链表，大大优化了查询的效率。</p> <p>当 length 总是 2 的 n 次方时，(length - 1) & hash 运算等价于对 length 取模，也就是h % length，但是 & 比 % 具有更高的效率。</p> <p>注意，在 Java8 之前的算法是这样的：</p> <pre> <code class="language-java">static int hash(int h) { h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); } static int indexFor(int hash, int length) { return hash & (length-1); } </code></pre> <p>Java8 优化了高位运算的算法，通过 hashCode() 的高 16 位异或低 16 位实现的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是从速度、功效、质量来考虑的，这么做可以在数组 table 的 length 比较小的时候，也能保证考虑到高低 Bit 都参与到 Hash 的计算中，同时不会有太大的开销。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/8e8203c1b51be6446cda4026eaaccf19.png"></p> <h3>putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)</h3> <pre> <code class="language-java">public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { transient Node<K,V>[] table; 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)//如果为null或者大小为0则创建 n = (tab = resize()).length; if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//计算index 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))))//如果有key，那么直接覆盖value e = p; else if (p instanceof TreeNode)//是否是红黑树 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else {//为链表 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);//链表长度大于8转换为红黑树进行处理 break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e;//key已经存在直接覆盖value } } 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();//扩容 afterNodeInsertion(evict); return null; } } </code></pre> <ol> <li>当 table 数组为 null 或者大小为 0 的时候进行扩容。</li> <li>第二步，计算出该 key 的索引 index 。</li> <li>找到 table 数组中该位置，判断该位置上是否有值： <ol> <li>如果有，判断 key 的 hashCode() 和 equals() 是否相等，相等的话覆盖，不相等的话再判断是否是红黑树还是链表。</li> <li>如果没有，判断是不是红黑树： <ol> <li>是，就插入到红黑树中；</li> <li>不是话，遍历链表，如果大小大于8，转换成红黑树，插入到红黑树中，不大于8的话就插入到链表，如果在遍历的是否发现hashCode() 和 equals() 相等。</li> </ol> </li> </ol> </li> <li>插入成功后，判断 table 数组大小是否超过了最大容量，是的话扩容</li> </ol> <h3>resize()</h3> <pre> <code class="language-java">public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table;//旧的数组 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//旧的数组大小 int oldThr = threshold;//旧的最大容量 int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//扩容前的旧的数组大小如果已经达到最大(2^30) threshold = Integer.MAX_VALUE;////修改最大容量为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了 return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)//扩容后的小于数组大小最大值 newThr = oldThr << 1; // double threshold 在旧值上乘以2 } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr;//旧的最大容量就是新的数组容量 else { // zero initial threshold signifies using defaults newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//16 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//0.75*16 } if (newThr == 0) {//计算新的最容量 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;//新的table数组 if (oldTab != null) { for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//将旧的移动到新的里面去 Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; if (e.next == null)//没有重合的，就只有这一个值 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//给e找位置 else if (e instanceof TreeNode)//如果是红黑树 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order 处理链表 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) {//原来的索引 if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else {//原来的索引+oldCap if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); if (loTail != null) {//原索引放到新table数组里 loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } if (hiTail != null) {//原索引+oldCap放到新table数组里 hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; } } </code></pre> <p> </p> <p>来自：http://yydcdut.com/2016/12/06/hashmap-analyse/</p> <p> </p>