HashMap源码分析(一)

基于JDK1.7 HashMap源码分析

概述

HashMap是存放键值对的集合，数据结构如下：

1. table被称为桶，大小（capacity）始终为2的幂，当发生扩容时，map容量扩大为两倍
2. HashMap采用拉链法解决Hash冲突，发生冲突时，新元素采用头插法插入到对应桶的链表中

HashMap有几个重要字段：

• size：HashMap键值对的数量
• capacity：桶数量，即table.length，默认16
• loadFactor：负载因子，度量负载程度，基于时间和空间的权衡，默认0.75
• threshold：阈值，当size>=threshold将发生扩容，threshold=capacity * loadFactor。

JDK1.7 源码分析

属性

    /**
     * 默认初始容量 （必须是2的幂）
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    /**
     * 最大容量
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

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

    /**
     * 空表
     */
    static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};

    /**
     * hash table
     */
    transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

    /**
     * 键值对数目
     */
    transient int size;

    /**
     * 阈值 (等于capacity * load factor).
     */
    int threshold;

    /**
     * 负载因子
     */
    final float loadFactor;

    /**
     * HashMap 结构性变化次数
     * 用于快速失败
     */
    transient int modCount;

    static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;

构造函数

    /**
     * 构造函数
     */
    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);

        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = initialCapacity;
        init();
    }

    /**
     * 构造函数，默认负载因子
     */
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    /**
     * 构造函数，默认初始容量和负载因子
     */
    public HashMap() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    /**
     * 构造函数，通过map构造
     */
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        //初始化table
        inflateTable(threshold);
        //赋值到新map
        putAllForCreate(m);
    }

Hash函数

Hash函数是获取对象处理后的hash值，为了让hash值散列更加均匀，减少碰撞，

扰动函数（Hash函数）对hashCode进行一些位运算。

   /**
     * 扰动函数（减少碰撞几率）
     */
    final int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        h ^= k.hashCode();

        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

确定桶下标

确定桶下标的常用方式：hash % table.length，为了提高运行效率，

用位运算替代模运算。

能够这样做的前提，table.length必须是2的幂，这也是table的长度始终是2的幂的原因之一。

    /**
     * 确定桶下标
     */
    static int indexFor(int h, int length) {
        // length必须是2的幂
        return h & (length-1);
    }

Put操作

put

注意HashMap的值比较方法：e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))

 public V put(K key, V value) {
        //空数组，则分配内存空间（延迟初始化）
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        //null键处理
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //若key已经存在，则替换
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //比较值是否相同
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        //key不存在，则新增
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

inflateTable

HashMap的空间分配不是在构造函数中完成的，而是采用延迟初始化的方式，当第一个元素put时，才会进行空间分配。

 private void inflateTable(int toSize) {
        // Find a power of 2 >= toSize
        int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);

        threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        //分配空间
        table = new Entry[capacity];
        initHashSeedAsNeeded(capacity);
    }

putForNullKey

HashMap与HashTable的区别其中一点便是，前者key value都可以为null，后者都不能为null。

为null的键存放在table[0]中，即第一个桶。

    /**
     * null键插入
     */
    private V putForNullKey(V value) {
        /**
         * null键存放在table[0]中（table[0]中不全是null键）
         */
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        //计数增加
        modCount++;
        //添加Entry
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

扩容

当向HashMap添加一个不存在的key时（即size将增大），添加之前扩容检查。

扩容触发条件为：数量达到阈值并且发生Hash冲突。

扩容本质上，新建一个数组，使用头插法将旧map的元素拷贝到新map中。

addEntry

添加键值对时，检验是否需要扩容。扩容的条件：数量达到阈值并且发生Hash冲突

    /**
     * 添加Entry
     */
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        //扩容条件：size大于阈值并且发生碰撞
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            //容量扩为2倍
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            //确定新桶下标
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

resize

当扩容时：

• 容量已经达到最大值，仅调整阈值
• 容量未达到最大值，扩大table空间，并将旧map数据添加到新map中

    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            //当容量达到最大时，仅调整阈值
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        //扩容
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        //数据复制
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

transfer

实际上，扩容本质是新建一个数组，然后在把数据复制过去，复制过程中，元素需要重新定位桶标

所以，多次扩容对性能影响很大

    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K,V> e : table) {
            while(null != e) {
                Entry<K,V> next = e.next;
                if (rehash) {
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

createEntry

从Entry的构造函数中next = n;可以看出元素插入链表使用的头插法。

    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        //table下标中第一个元素
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        /**
         * 构造方法中 next = e; 可见 使用的头插法插入到链表中
         */
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        }

get操作

    /**
     * 获取值
     * 返回null有两种可能：1.不存在对应的键值对；2.存在key,但值为null
     * 可以通过 {@link #containsKey containsKey} 进行区分
     */
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            //获取key为null的值
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);

        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }

    private V getForNullKey() {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        //可见，null的key存放在table[0]中，即第一个桶中
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

     final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }

        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        //确定桶下标后，遍历链表
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            //判断key是否相等。先比较的hash值，再比较的地址，最后比较equals
            if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }