集合之HashMap（含JDK1.8源码分析）
一、前言
之前的List，讲了ArrayList、LinkedList，反映的是两种思想：
（1）ArrayList以数组形式实现，顺序插入、查找快，插入、删除较慢
（2）LinkedList以链表形式实现，顺序插入、查找较慢，插入、删除方便
那么是否有一种数据结构能够结合上面两种的优点呢？有，答案就是HashMap。
HashMap是一种非常常见、方便和有用的集合，是一种键值对（K-V）形式的存储结构。
四个关注点在HashMap上的答案
二、hashMap数据结构
说明：上图说明了hashMap的数据结构，由数组+链表+红黑树组成，链表为单向链表，桶中的结构可能是链表，也可能是红黑树，红黑树的引用是为了提高效率。
三、hashMap源码分析-属性及构造函数
3.1 类的继承关系
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
可以看到HashMap继承自父类（AbstractMap），实现了Map、Cloneable、Serializable接口。其中，Map接口定义了一组通用的操作；Cloneable接口则表示可以进行拷贝，在HashMap中，实现的是浅层次拷贝，即对拷贝对象的改变会影响被拷贝的对象；Serializable接口表示HashMap实现了序列化，即可以将HashMap对象保存至本地，之后可以恢复状态。
3.2 类的属性
// 序列号
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;
// 默认的加载因子是0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时链表会转成红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时红黑树转成链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 存储元素的数组，总是2的幂次倍
transient Node<k,v>[] table;
// 存放具体元素的集
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size(容量*加载因子)超过该值时，会进行扩容
int threshold;
// 加载因子
final float loadFactor;
说明：hashMap的属性比较多，这里说一下threshold和loadFactor这两个属性。hashMap的默认初始容量为16，默认加载因子为0.75，那么threshold = 16 * 0.75 = 12，当size > 12时，就会进行扩容。而加载因子越大，threshold越大，那么在扩容之前可以填充的元素就越多，空间利用率提高了，但是相应的就会比较容易造成hash冲突。而加载因子越小，threshold越小，那么在扩容之前可以填充的元素就越少，空间利用降低了，但是相应的就没那么容易造成hash冲突。
3.3 类的构造函数
1.、public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)型
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity
* @param loadFactor the load factor
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
* or the load factor is nonpositive
*/
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;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
tableSizeFor函数返回大于等于initialCapacity最小的二次幂的值
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
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 >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
说明：>>> 操作符表示无符号右移，高位取0。
2、public HashMap(int initialCapacity)型
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and the default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity the initial capacity.
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
3、public HashMap()型
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
4、public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)型
/**
* Constructs a new <tt>HashMap</tt> with the same mappings as the
* specified <tt>Map</tt>. The <tt>HashMap</tt> is created with
* default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to
* hold the mappings in the specified <tt>Map</tt>.
*
* @param m the map whose mappings are to be placed in this map
* @throws NullPointerException if the specified map is null
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
说明：putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict)函数将m的所有元素存入本HashMap实例中。
/**
* Implements Map.putAll and Map constructor
*
* @param m the map
* @param evict false when initially constructing this map, else
* true (relayed to method afterNodeInsertion).
*/
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) {
if (table == null) { // pre-size
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
else if (s > threshold)
resize();
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
四、hashMap源码分析-核心函数
4.1 增：put和putVal函数----存储元素
/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
* (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
* previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
putVal函数
/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
//判断tab是否为空
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//为空，构建tab
n = (tab = resize()).length;
//(n - 1) & hash 按位与运算得到tab的索引值，判断该索引值处是否有元素
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//该索引值处无元素，构建Node节点放入桶中（桶中的第一个元素，位于数组中），存储key-value
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//该索引值处有元素（对应桶中的第一个元素，位于tab数组中）
HashMap.Node<K,V> e; K k;
//比较桶中的第一个元素（数组中）与要存储的元素的hash值和key值
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//相等（key值相同），将桶中的第一个元素赋值给e
e = p;
//hash值不相等，存储在链表或是红黑树中
else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
//存储在红黑树中（此时p所在的桶中的那条链表(Node节点)已经转换成了红黑树(TreeNode节点)了）
e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//存储在链表中
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//判断桶中的第一个元素是否有next节点
if ((e = p.next) == null) {
//为null，没有next节点，构建Node，赋值给p.next(p关联起来形成链表结构)
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//链表中的节点数量大于阈值，将那条链表转换成红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
//跳出循环
break;
}
//判断链表中的节点的key值与要存储的key值是否相等
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//相等，跳出循环(此时e == p.next)
break;
//用于遍历链表中的节点，和e = p.next结合，可以遍历链表中的所有节点
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
//要存储的key找到了对应的mapping，替换value并返回oldValue
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
//onlyIfAbsent为false或者旧值为null，替换
e.value = value;
//访问后回调
afterNodeAccess(e);
//返回oldValue
return oldValue;
}
}
//结构性修改加一
++modCount;
//map中实际元素的大小大于阈值则进行扩容
if (++size > threshold)
resize();
//插入后回调
afterNodeInsertion(evict);
//no existing mapping for key，返回null值
return null;
}
说明：HashMap并没有直接提供putVal接口给用户调用，而是提供的put函数，而put函数就是通过putVal来插入元素的。
举例：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Map map = new HashMap();
map.put("zhangsan", "zhangsan");
map.put("lisi", "lisi");
map.put("wangwu", "wangwu");
map.put("zhaoliu", "zhaoliu");
map.put("caocao", "caocao");
map.put("liubei", "liubei");
map.put("sunquan", "sunquan");
map.put("guanyu", "guanyu");
map.put("zhangfei", "zhangfei");
map.put("zhugeliang", "zhugeliang");
map.put("zhubajie", "zhubajie");
map.put("sunwukong", "sunwukong");
map.put("tangseng", "tangseng");
map.put("shaseng", "shaseng");
System.out.println(map);
}
}
结果：
{lisi=lisi, zhangfei=zhangfei, shaseng=shaseng, zhaoliu=zhaoliu, liubei=liubei, tangseng=tangseng, sunquan=sunquan, sanzhang=sanzhang, zhugeliang=zhugeliang, sunwukong=sunwukong, zhubajie=zhubajie, guanyu=guanyu, wangwu=wangwu, caocao=caocao}
说明：可以看到，获取元素的顺序与put的顺序不一致。这里列出key值、hash(key)值和在数组tab中的索引index(i = (n - 1) & hash)，并用图示说明上述元素在hashMap中的分布：
key hash(key) index(i = (n - 1) & hash) zhangsan -1432577304 8 lisi 3322017 1 wangwu -795083590 10 zhaoliu -323235449 7 caocao -1367733222 10 liubei -1102508889 7 sunquan -1856616245 11 guanyu -1235148906 6 zhangfei -1432573310 2 zhugeliang 466938860 12 zhubajie -871240751 1 sunwukong -1589103089 15 tangseng -556007510 10 shaseng 2054237254 6
4.2 删：remove和removeNode函数----删除元素
/**
* Removes the mapping for the specified key from this map if present.
*
* @param key key whose mapping is to be removed from the map
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
* (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
* previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
removeNode函数
/**
* Implements Map.remove and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to match if matchValue, else ignored
* @param matchValue if true only remove if value is equal
* @param movable if false do not move other nodes while removing
* @return the node, or null if none
*/
final HashMap.Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, index;
//判断table表是否为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
HashMap.Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//得到要移除的元素是桶中的第一个元素（位于数组中）
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof HashMap.TreeNode)
//要移除的元素位于红黑树中
node = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
//要移除的元素位于链表中
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
//链表中匹配到了要移除的元素
node = e;
break;
}
//p存储链表中要移除节点的前一个节点
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
//至此，要移除的元素node已经找到，；判断是根据key移除还是根据key和value移除
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof HashMap.TreeNode)
//node节点为红黑树节点，调用treeNode的方法移除
((HashMap.TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
//node节点是桶中的第一个元素，将node.next变成桶中的第一个元素
tab[index] = node.next;
else
//node节点在链表中，p存储的是要移除节点的前一个节点，将其的next由指向node转为指向node的next
p.next = node.next;
//结构性修改加一
++modCount;
//元素个数减一
--size;
//删除后回调
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
说明：hashMap中并没有直接提供removeNode接口给用户使用，而是通过remove(Object key)函数和remove(Object key,Object value)函数，再调用removeNode来获取元素的。removeNode函数主要完成两方面的事情。一、找到要remove的元素（桶中第一个元素、红黑树中、链表中）。二、根据一中元素所在的位置做相应的移除操作。
举例：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Map map = new HashMap();
map.put("zs1", "zhangsan1");
map.put("zs2", "zhangsan2");
map.put("zs3", "zhangsan3");
map.put("zs4", "zhangsan4");
map.put("zs5", "zhangsan5");
System.out.println("remove之前：=========" + map);
Object value = map.remove("zs1");
System.out.println("所移除元素的value：==========" + value);
System.out.println("remove之后：=========" + map);
}
}
结果：
remove之前：========={zs2=zhangsan2, zs1=zhangsan1, zs4=zhangsan4, zs3=zhangsan3, zs5=zhangsan5}
所移除元素的value：==========zhangsan1
remove之后：========={zs2=zhangsan2, zs4=zhangsan4, zs3=zhangsan3, zs5=zhangsan5}
图示说明remove前后元素在链表中位置：remove zs1（桶中的第一个元素）和remove zs4（链表中的元素）
4.3 改：putVal函数----修改元素
详见4.1，与添加元素是同一个操作
4.4 查：get和getNode函数----获取元素
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
* key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
* it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
* indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
* possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
* The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
* distinguish these two cases.
*
* @see #put(Object, Object)
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
getNode函数
/**
* Implements Map.get and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @return the node, or null if none
*/
final HashMap.Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> first, e; int n; K k;
//判断table是否为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//table不为空并将桶中的第一个元素（位于数组中）赋值给first
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//根据hash值和key判断是桶中的第一个元素（位于table数组中）
return first;
//不是桶中的第一个元素
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof HashMap.TreeNode)
//要找的Node节点位于红黑树中
return ((HashMap.TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
//位于链表中，将e.next赋值给e，循环获取和key匹配的Node节点
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
//table为空，返回null
return null;
}
说明：hashMap中并没有直接提供getNode接口给用户使用，而是通过get函数，再通过get函数调用getNode来获取元素的。
4.5 扩容：reSize函数----hashMap的扩容
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final HashMap.Node<K,V>[] resize() {
//保存原table
HashMap.Node<K,V>[] oldTab = table;
//获取原table的容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//获取原table的阈值
int oldThr = threshold;
//定义新table的容量和阈值
int newCap, newThr = 0;
//原table容量大于0
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
//原table的容量已经达到最大值，不再进行扩容，直接返回原table
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//原table的容量未达最大值
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//容量翻倍，使用左移，效率更高
newThr = oldThr << 1; // double threshold 阈值翻倍
}
//原table的容量 == 0，再进行原阈值方面的判断
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//原阈值大于0，新table的容量 == 原阈值
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//原table的容量 == 0，原阈值 == 0，那么新table的容量和阈值使用默认的容量（16）和阈值（12）
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
//原table的阈值大于0且新table的阈值等于0，定义新table的阈值
//举例：public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造hashMap时，适用此种情况
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
//至此，新table的容量和阈值都已经取值完成。
//将新table的阈值赋值给hashMap的属性threshold
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
//初始化table
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
//判断原table是否为空
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)//说明桶中只有一个元素（位于数组中）
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//重新将原数组的值放入新数组中
else if (e instanceof TreeNode)//该桶中的node节点类型是treeNode，红黑树，打乱重新分配
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
//桶中的元素是链表结构，重新rehash链表，即将链表拆分成两条
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//以e.hash & oldCap是否为零来拆分该链表中的元素
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;//重新指向该node节点中的next节点
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;//重新指向该node节点中的next节点
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
//将rehash后的原链表的最后一个元素loTail的next属性置为null
loTail.next = null;
//原链表在table数组中的索引位置没有改变
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
//将rehash后的新生成的链表的最后一个元素hiTail的next属性置为null
hiTail.next = null;
//将hiHead置于newTab中，形成新的链表结构
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
//返回扩容后的newTab
return newTab;
}
说明：进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免resize。hashMap的扩容函数主要完成两方面的事情。一、生成新table的容量和阈值。二、将原table中的元素置于新生成的table中。
图示说明扩容前后元素的分布：
说明：上图只是针对了数组下标为2的桶中的各个元素在扩容后的分配布局，其他各个桶中的元素布局可以以此类推。
五、总结
5.1再谈HashCode的重要性
前面讲到了，HashMap中对Key的HashCode要做一次rehash，防止一些糟糕的Hash算法生成的糟糕的HashCode，那么为什么要防止糟糕的HashCode？糟糕的HashCode意味着的是Hash冲突，即多个不同的Key可能得到的是同一个HashCode，糟糕的Hash算法意味着的就是Hash冲突的概率增大，这意味着HashMap的性能将下降，表现在两方面：
1、有10个Key，可能6个Key的HashCode都相同，另外四个Key所在的Entry均匀分布在table的位置上，而某一个位置上却连接了6个Entry。这就失去了HashMap的意义，HashMap这种数据结构性高性能的前提是，Entry均匀地分布在table位置上，但现在确是1 1 1 1 6的分布。所以，我们要求HashCode有很强的随机性，这样就尽可能地可以保证了Entry分布的随机性，提升了HashMap的效率。
2、HashMap在一个某个table位置上遍历链表的时候的代码：
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
看到，由于采用了"&&"运算符，因此先比较HashCode，HashCode都不相同就直接pass了，不会再进行equals比较了。HashCode因为是int值，比较速度非常快，而equals方法往往会对比一系列的内容，速度会慢一些。Hash冲突的概率大，意味着equals比较的次数势必增多，必然降低了HashMap的效率了。参考：HashCode的作用。
5.2 hashMap和hashTable的区别
1、Hashtable是线程安全的，Hashtable所有对外提供的方法都使用了synchronized，也就是同步，而HashMap则是线程非安全的。
2、Hashtable不允许空的value，空的value将导致空指针异常，而HashMap则无所谓，没有这方面的限制。
hashTable的put源码：
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
.................
.................
}
参考资料：
Java的位运算符详解实例 https://blog.csdn.net/qq_35114086/article/details/70173329#commentBox
https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5242233.html#3880042
https://www.cnblogs.com/xrq730/p/5030920.html
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