Java集合(一)HashMap
HashMap
特点: HashMap的key和value都允许为空,无序的,且非线程安全的
数据结构: HashMap底层是一个数组,数组的每一项又都是链表,即数据和链表的结合体。当新建一个HashMap对象时,就会初始化一个数组
- static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
- final K key;
- V value;
- Entry<K,V> next;
- int hash;
- ...
- }
HashMap的存储单元Entry里面存放键值,且它持有指向下一个元素的引用,从而构成了链表
HashMap的存储
- public V put(K key, V value) {
- if (key == null)
- return putForNullKey(value);
- int hash = hash(key.hashCode());
- 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 = value;
- e.recordAccess(this);
- return oldValue;
- }
- }
- modCount++;
- addEntry(hash, key, value, i);
- return null;
- }
put()方法的步骤:
- 当key为空时,空的key会默认放在第零位的数组上
- 拿到key的hash值,再调用hash()方法重新计算出一个hash值。根据JDK源码,调用hash()方法的目的是为了打乱原有的hash值,防止糟糕的hash算法
- static int hash(int h) {
- h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
- return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
- }
3. 根据hash值对Entry数组取模获得到存放数据的位置。取模操作的正确性依赖于数组的长度必须是2的N次幂。所有,在HashMap的构造函数中,如果指定HashMap初始大小为initialCapacity,如果initialCapacity不是2的N次幂,HashMap会算出大于initialCapacity的最小2的N次幂,作为Entry数组的初始大小
- static int indexFor(int h, int length) {
- return h & (length-1);
- }
4. 判断是否存在相同的key,存在则将新的value存入,旧的返回,细节是先比较hash值,相同则再比较key,从而提高效率
5. modCount++是用于fail-fast机制,每次修改HashMap的数据结构都会自增一次
- void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
- Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
- table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
- if (size++ >= threshold)
- resize(2 * table.length);
- }
6. 调用addEntry()方法。先设置一个变量e指向当前数组下标对象,再将键值放入新建的Entry对象里并将该对象赋给数组下标对象,且对象指向的下一个元素为旧的对象e。简单来说就是新建一个对象,将键值存入里面,并且将这个对象放在数组索引位置的第一个(即链头),它的下一个元素指向以前的第一个。
之后判断是否需要扩容,threshold为是否扩容的最大元素数目,当前HashMap的大小大于或等于该值时,就会进行扩容
- threshold = (int)(capacity * loadFactor);
HashMap的读取
- public V get(Object key) {
- if (key == null)
- return getForNullKey();
- int hash = hash(key.hashCode());
- for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
- e != null;
- e = e.next) {
- Object k;
- if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
- return e.value;
- }
- return null;
- }
简单来说就是通过key获取hash值,通过hash值获取数组下标,找到数组位置,将hash和key去比较是否相同
HashMap的删除
- public V remove(Object key) {
- Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
- return (e == null ? null : e.value);
- }
- final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
- int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
- int i = indexFor(hash, table.length);
- Entry<K,V> prev = table[i];
- Entry<K,V> e = prev;
- while (e != null) {
- Entry<K,V> next = e.next;
- Object k;
- if (e.hash == hash &&
- ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
- modCount++;
- size--;
- if (prev == e)
- table[i] = next;
- else
- prev.next = next;
- e.recordRemoval(this);
- return e;
- }
- prev = e;
- e = next;
- }
- return e;
- }
- 通过key获取hash值,通过hash值获取数组下标,得到数组位置
- 遍历链表,找到匹配的。当删除的是链头,将数组下标指向下一个,如果删除的不是链头,则将前一个对象的next指向被删除的后一个
Fail-Fast机制
HashMap是线程不安全的,所以当使用迭代器的过程中,有其他线程修改了map,则会抛出ConcurrentModificationException,这就是fail-fast策略
modCount为修改次数,当HashMap内容修改都将增加这个值,在迭代器迭初始化过程中会将这个值赋给expectedModCount,在迭代的过程中判断这两个值是否相等,不相等则表示被其他线程修改了Map
- final Entry<K,V> nextEntry() {
- if (modCount != expectedModCount)
- throw new ConcurrentModificationException();
注意: modCount使用volatile修饰,保证线程之间修改的可见性
HashMap(jdk1.8)
jdk1.8版本的HashMap底层是由数组,链表和红黑树实现的。底层的内部类由Entry变成了Node
- 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);
- }
- ......
- }
hash()方法也变了,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位都参与到Hash的计算中,同时不会有太大的开销。
- static final int hash(Object key) {
- int h;
- return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
- }
put()方法
上传个网上的图片,put()方法的流程
- 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)//步骤①
- n = (tab = resize()).length;
- if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//步骤②
- tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
- else {
- Node<K,V> e; K k;
- if (p.hash == hash && //步骤③
- ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
- e = p;
- else if (p instanceof TreeNode) //步骤④
- e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
- else {//步骤⑤
- 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)//步骤⑥
- resize();
- afterNodeInsertion(evict);
- return null;
- }
步骤:
- 当tab数组为空或长度为0时,执行resize()方法扩容,进入下一步
- 通过key计算hash值,得到数组索引,判断当该索引下的对象为空时,直接新建节点添加对象,跳到步骤⑥,否则进入步骤③
- 判断该数组索引下的首个元素key是否一样,相同则直接覆盖value,否则进入步骤④
- 判断该table[i]是否为treeNode,即是否为红黑树,如果是,直接插入键值对,不是则进入步骤⑤
- 遍历table[i],判断该链表长度是否大于等于8(bigCount从0开始),如果是则把链表转换为红黑树,在红黑树中进行插入操作,如果不是,则进行链表的插入操作
- 判断实际容量是否大于threshold,是则扩容
扩容机制
jdk1.7中,进行扩容时,把旧数据放入到新数组中,链表的插入时,使用的是单链表的头插入方式,同一位置上的新元素总会被放到链头。在jdk1.8中,旧数组中一条链上的元素有可能被放到新数组的不同位置上
在扩充HashMap的时候,不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash,只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了,是0的话索引没变,是1的话索引变成“原索引+oldCap”
这个设计确实非常的巧妙,既省去了重新计算hash值的时间,而且同时,由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的,因此resize的过程,均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了。这一块就是JDK1.8新增的优化点。有一点注意区别,JDK1.7中rehash的时候,旧链表迁移新链表的时候,如果在新表的数组索引位置相同,则链表元素会倒置,但是JDK1.8不会倒置。
JDK1.7和JDK1.8的HashMap性能比较
HashMap中,如果key经过Hash算法得出的数组索引位置全部不相同,即Hash算法非常好,则getKey()方法的时间复杂度为O(1)。如果Hash算法极差,所有元素都在一个链表下或红黑树下,则时间复杂度为O(N)和O(lgN)。jdk1.8的总体性能优于jdk1.7。
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