HashMap底层实现源码分析

HashMap底层实现原理

0.样例数据

java

import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class CollectionTest {
    public static void main(String[] args) {
        //唯一的工作初始化负债因子（this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR）为0.75f
        Map<String,Integer> map = new HashMap<>();
        int count = 1;
        //添加kv
        for (char i = 65; i < 91; i++) {
            map.put(String.valueOf(i),count);
            count++;
        }

        //第一种遍历方式
        Set<String> keySet = map.keySet();
        Iterator<String> iterator = keySet.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String key = iterator.next();
            System.out.println(key+ " => " + map.get(key));
        }
        System.out.println("******************************");

        //第二种遍历方式
        Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iteratorMap = map.entrySet().iterator();
        while (iteratorMap.hasNext()) {
            Map.Entry<String, Integer> mapEntry = iteratorMap.next();
            System.out.println(mapEntry);
        }
        
        System.out.println("******************************");
        //第三种遍历方式
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + " => " + entry.getValue());
        }
    }
}

1. 类信息

java

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

2. 基本属性

java

private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; //序列化版本号

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 默认容量16(左移4位相当于乘以2的4次方)

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量（1073741824）

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//默认负载因子

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; //链表节点转换红黑树节点的阈值

static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //红黑树节点转换链表节点的阈值

static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;// 转红黑树时, table的最小长度

// 基本hash节点, 继承自Entry，此时的Node节点就是相当于Entry节点的实现
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;
    }
}


transient Node<K,V>[] table; //hashMap数组的表示

transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; //entry节点

transient int size; //数组长度

transient int modCount; //添加的元素个数

int threshold; //合理的初始化数组长度，根据tableSizeFor()得到，用于手动设置时使用

final float loadFactor; //负载因子，用于手动设置时使用

//构造器一：定义Node[]数组初始长度
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);
    //为Node[]数组设置负债因子
    this.loadFactor = loadFactor;
    //为Node[]数组设置一个合理的值
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
//初始化Node[]数组长度，根据传入的值以2的n次方对数组进行扩容
//（例如：存入传入值为9，数组容量为16，在(8,16]范围内将不会再次扩容）。
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= 1 << 30) ? 1 << 30 : n + 1;
}

//构造器二：调用HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造器
public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//构造器三：仅创建HashMap对象，并初始化负债因子为0.75f
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}

// 红黑树节点
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }

    /**
     * Returns root of tree containing this node.
     */
    final TreeNode<K,V> root() {
        for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
            if ((p = r.parent) == null)
                return r;
            r = p;
        }
    }
    //...
}

3. hash算法

HashMap定位数组索引位置，直接决定了hash方法的离散性能。下面是定位哈希桶数组的源码：

java

// 计算key的hash值
static final int hash(Object key) {
        int h;
        // 1.先拿到key的hashCode值,基本数据类型会使用其包装类重载的hashCode()方法去计算hash值，引用数据类型根据是否重写去计算 
        // 2.将hashCode的高16位参与运算
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
    // 将(tab.length - 1) 与 hash值进行&运算
    int index = (tab.length - 1) & hash;
}

//对值进行Hash计算
public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = valu
        /**
        * 当KEY值为A测试数据，A的hash为: 31 * hash + ANSI码值65
        * 当KEY值为AB测试数据，AB的hash为：31 * 65 + 66
        */
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

HashMap底层数组的长度总是2的n次方，并且取模运算为“h mod table.length”，对应上面的公式，可以得到该运算等同于“h & (table.length - 1)”。这是HashMap在速度上的优化，因为&比%具有更高的效率。

在JDK1.8的实现中，还优化了高位运算的算法，将hashCode的高16位与hashCode进行异或运算，主要是为了在table的length较小的时候，让高位也参与运算，并且不会有太大的开销。

4. get方法

java

//调用的GET方法
public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

//实际执行的GET方法
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
	Node<K,V>[] tab; 
    Node<K,V> first, e; 
    int n; K k;
    // table不为空 && table长度大于0 && table索引位置(根据hash值计算出)节点不为空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // first的key等于传入的key则返回first对象
        if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        //first的key不等于传入的key则说明是链表，向下遍历
        if ((e = first.next) != null) {
            // 判断是否为TreeNode，是则为红黑树
            // 如果是红黑树节点，则调用红黑树的查找目标节点方法getTreeNode
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            //走下列步骤表示是链表，循环至节点的key与传入的key值相等
            do {
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    //找不到符合的返回空
    return null;
}

5. put方法

java

//掉用的PUT方法，hash(key)调用本例中的hash()方法
public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
 
//实际执行的PUT方法 
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是否为空或者length等于0, 如果是则调用resize方法进行初始化
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
        
    // 通过hash值计算索引位置, 如果table表该索引位置节点为空则新增一个
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 将索引位置的头节点赋值给p
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    
    else { // table表该索引位置不为空
        Node<K,V> e; K k;
        //判断p节点的hash值和key值是否跟传入的hash值和key值相等
        if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p; // 如果相等, 则p节点即为要查找的目标节点，赋值给e
        // 判断p节点是否为TreeNode, 如果是则调用红黑树的putTreeVal方法查找目标节点
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 走到这代表p节点为普通链表节点
        else {
            // 遍历此链表, binCount用于统计节点数
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                //p.next为空代表目标节点不存在
                if ((e = p.next) == null) {
                    //新增一个节点插入链表尾部
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //如果节点数目超过8个，调用treeifyBin方法将该链表转换为红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //e节点的hash值和key值都与传入的相等, 则e即为目标节点,跳出循环
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        // e不为空则代表根据传入的hash值和key值查找到了节点,将该节点的value覆盖,返回oldValue
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e); // 用于LinkedHashMap
            return oldValue;
        }
    }
    //map修改次数加1
    ++modCount;
    
    //map节点数加1，如果超过阀值，则扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict); // 用于LinkedHashMap
    return null;
}

从上面的源码分析可以看出

1、如果节点已经存在，则更新原值

2、如果节点不存在，则插入数组中，如果数组已经有值，则判断是非是红黑树，如果是，则调用红黑树方法插入

3、如果插入的是链表，插入尾部，然后判断节点数是否超过8，如果超过，则转换为红黑树

4、先插入的数据，后面判断是否超过阀值再进行的扩容

putTreeVal,插入红黑树方法就不看了，看下treeifyBin方法，该方法是将链表转化为红黑树,

java

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
    int n, index; 
    Node<K,V> e;
    // table为空或者table的长度小于64, 进行扩容
    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) 
        resize();
    // 根据hash值计算索引值, 遍历该索引位置的链表
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {   
        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
        do {
            TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null); // 链表节点转红黑树节点
            if (tl == null)    // tl为空代表为第一次循环
                hd = p; // 头结点
            else {
                p.prev = tl;    // 当前节点的prev属性设为上一个节点
                tl.next = p;    // 上一个节点的next属性设置为当前节点
            }
            tl = p; // tl赋值为p, 在下一次循环中作为上一个节点
        } while ((e = e.next) != null);    // e指向下一个节点
        // 将table该索引位置赋值为新转的TreeNode的头节点
        if ((tab[index] = hd) != null) 
            hd.treeify(tab);    // 以头结点为根结点, 构建红黑树
    }
}

可以看到，会先判断tab的节点数是否超过64，如果没超过，则进行扩容，如果超过了才会转换为红黑树

可以得到两个结论

1、什么时候转换为红黑树

当链表数目超过8,并且map节点数量超过64，才会转换为红黑树

2、什么时候扩容（前提是map数目没有超过最大容量值 1<<30 ）

新增节点时，发生了碰撞，并且节点数目超过阀值

新增节点时，发生了碰撞，节点数量木有超过阀值，但是链表数目>8,map节点<64时

再看下resize()方法

java

final Node<K,V>[] resize() {
        //oldTab保存未扩容的tab
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        //oldTab最大容量
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        //oldTab阀值
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //如果老map有值
        if (oldCap > 0) {
            // 老table的容量超过最大容量值，设置阈值为Integer.MAX_VALUE，返回老表
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            //老table的容量没有超过最大容量值，将新容量赋值为老容量*2，如果新容量<最大容量并且老容量>=16, 则将新阈值设置为原来的两倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                    oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // 老表的容量为0, 老表的阈值大于0, 是因为初始容量被放入阈值
            newCap = oldThr;    // 则将新表的容量设置为老表的阈值
        else {   //老表的容量为0, 老表的阈值为0, 则为空表，设置默认容量和阈值
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        // 如果新阈值为空, 则通过新的容量*负载因子获得新阈值
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                    (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        // 将当前阈值赋值为刚计算出来的新的阈值
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;  // 将当前的表赋值为新定义的表
        // 如果老表不为空, 则需遍历将节点赋值给新表
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) { // 将索引值为j的老表头节点赋值给e
                    oldTab[j] = null; //将老表的节点设置为空, 以便垃圾收集器回收空间
                    // 如果e.next为空, 则代表老表的该位置只有1个节点,
                    // 通过hash值计算新表的索引位置, 直接将该节点放在该位置
                    if (e.next == null) //
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    //e.next不为空,判断是否是红黑树
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    //是普通链表
                    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;
                            //如果e的hash值与老表的容量进行与运算为0,则扩容后的索引位置跟老表的索引位置一样
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            //如果e的hash值与老表的容量进行与运算为1,则扩容后的索引位置为:
                            //	老表的索引位置＋oldCap
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null; // 最后一个节点的next设为空
                            newTab[j] = loHead; // 将原索引位置的节点设置为对应的头结点
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null; // 最后一个节点的next设为空
                            newTab[j + oldCap] = hiHead; // 将索引位置为原索引+oldCap的节点设置为对应的头结点
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

可以看出，扩容时，节点重hash只分布在原索引位置与原索引+oldCap位置，为什么呢

假设老表的容量为16，即oldCap=16，则新表容量为16*2=32，假设节点1的hash值为0000 0000 0000 0000 0000 1111 0000 1010，节点2的hash值为0000 0000 0000 0000 0000 1111 0001 1010，则节点1和节点2在老表的索引位置计算如下图计算1，由于老表的长度限制，节点1和节点2的索引位置只取决于节点hash值的最后4位。再看计算2，计算2为新表的索引计算，可以知道如果两个节点在老表的索引位置相同，则新表的索引位置只取决于节点hash值倒数第5位的值，而此位置的值刚好为老表的容量值16，此时节点在新表的索引位置只有两种情况：原索引位置和原索引+oldCap位置（在此例中即为10和10+16=26）。由于结果只取决于节点hash值的倒数第5位，而此位置的值刚好为老表的容量值16，因此此时新表的索引位置的计算可以替换为计算3，直接使用节点的hash值与老表的容量16进行位于运算，如果结果为0则该节点在新表的索引位置为原索引位置，否则该节点在新表的索引位置为原索引+oldCap位置。

6. remove()方法

java

public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
        null : e.value;
}

final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    // 如果table不为空并且根据hash值计算出来的索引位置不为空, 将该位置的节点赋值给p
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        // 如果p的hash值和key都与入参的相同, 则p即为目标节点, 赋值给node
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
        else if ((e = p.next) != null) {    // 否则向下遍历节点
            if (p instanceof TreeNode)  // 如果p是TreeNode则调用红黑树的方法查找节点
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            else {
                do {    // 遍历链表查找符合条件的节点
                    // 当节点的hash值和key与传入的相同,则该节点即为目标节点
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;    // 赋值给node, 并跳出循环
                        break;
                    }
                    p = e;  // p节点赋值为本次结束的e
                } while ((e = e.next) != null); // 指向像一个节点
            }
        }
        // 如果node不为空(即根据传入key和hash值查找到目标节点)，则进行移除操作
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) { 
            if (node instanceof TreeNode)   // 如果是TreeNode则调用红黑树的移除方法
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            // 走到这代表节点是普通链表节点
            // 如果node是该索引位置的头结点则直接将该索引位置的值赋值为node的next节点
            else if (node == p)
                tab[index] = node.next;
            // 否则将node的上一个节点的next属性设置为node的next节点, 
            // 即将node节点移除, 将node的上下节点进行关联(链表的移除)    
            else 
                p.next = node.next;
            ++modCount; // 修改次数+1
            --size; // table的总节点数-1
            afterNodeRemoval(node); // 供LinkedHashMap使用
            return node;    // 返回被移除的节点
        }
    }
    return null;
}

7. JDK1.7和1.8的区别

1、JDK1.7的时候使用的是数组+ 单链表的数据结构。但是在JDK1.8及之后时，使用的是数组+链表+红黑树的数据结构（当链表的深度达到8的时候，也就是默认阈值，就会自动扩容把链表转成红黑树的数据结构来把时间复杂度从O（n）变成O（logN）提高了效率）

2、JDK1.7用的是头插法，而JDK1.8及之后使用的都是尾插法，那么他们为什么要这样做呢？因为JDK1.7是用单链表进行的纵向延伸，当采用头插法时会容易出现逆序且环形链表死循环问题。但是在JDK1.8之后是因为加入了红黑树使用尾插法，能够避免出现逆序且链表死循环的问题。

3、扩容后数据存储位置的计算方式也不一样：1. 在JDK1.7的时候是直接用hash值和需要扩容的二进制数进行&（这里就是为什么扩容的时候为啥一定必须是2的多少次幂的原因所在，因为如果只有2的n次幂的情况时最后一位二进制数才一定是1，这样能最大程度减少hash碰撞）（hash值 & length-1），而在JDK1.8的时候直接用了JDK1.7的时候计算的规律，也就是扩容前的原始位置+扩容的大小值=JDK1.8的计算方式，而不再是JDK1.7的那种异或的方法。但是这种方式就相当于只需要判断Hash值的新增参与运算的位是0还是1就直接迅速计算出了扩容后的储存方式。

4、jdk1.7 先扩容再put ，jdk1.8 先put再扩容