源码解读---HashMap源码探秘

我们再也不会像以前那样,以彼此为不可替代;我们再也不会像以前那样,那样用力的爱,直到哭了出来

Posted by yishuifengxiao on 2021-01-26

HashMap是基于哈希表的实现的Map接口。此实现提供了所有可选的Map操作,并允许null的值和null键。( HashMap类大致相当于Hashtable ,除了它是不同步的,并允许null)。这个类不能保证Map的顺序;特别是它不能保证顺序在一段时间内保持不变。

假设哈希函数在这些存储桶之间正确分散元素,这个实现为基本操作( getput )提供了恒定的时间性能。 收集视图的迭代需要与HashMap实例(桶数)加上其大小(键值映射数)的“容量” 成正比 。 因此,如果迭代性能很重要,不要将初始容量设置得太高(或负载因子太低)是非常重要的。

HashMap的一个实例有两个影响其性能的参数: 初始容量负载因子容量是哈希表中的桶数,初始容量只是创建哈希表时的容量。 负载因子是在容量自动增加之前允许哈希表得到满足的度量。 当在散列表中的条目的数量超过了负载因数和电流容量的乘积,哈希表被重新散列 (即,内部数据结构被重建),使得哈希表具有桶的大约两倍。

作为一般规则,默认负载因子(.75)提供了时间和空间成本之间的良好折中。 更高的值会降低空间开销,但会增加查找成本(反映在HashMap类的大部分操作中,包括getput )。 在设置其初始容量时,应考虑Map中预期的条目数及其负载因子,以便最小化重新组播操作的数量。 如果初始容量大于最大条目数除以负载因子,则不会发生重新排列操作。

如果许多映射要存储在HashMap实例中,则以足够大的容量创建映射将允许映射的存储效率高于使其根据需要执行自动重新排序以增长表。 请注意,使用同一个hashCode()多个密钥是降低任何哈希表的hashCode()的一种方法。 为了改善影响,当按键是Comparable时,这个类可以使用键之间的比较顺序来帮助打破关系。

请注意,此实现不同步。 如果多个线程同时访问哈希映射,并且至少有一个线程在结构上修改了映射,那么它必须在外部进行同步。 (结构修改是添加或删除一个或多个映射的任何操作;仅改变与实例已经包含的密钥相关联的值不是结构修改。)这通常通过对自然地封装映射的一些对象进行同步来实现。 如果没有这样的对象存在,MAP应该使用Collections.synchronizedMap方法“包装”。 这最好在创建时完成,以防止意外的不同步访问Map:

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Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));

所有这个类的“集合视图方法”返回的迭代器都是故障快速的 :如果映射在迭代器创建之后的任何时间被结构地修改,除了通过迭代器自己的remove方法之外,迭代器将抛出一个ConcurrentModificationException 。 因此,面对并发修改,迭代器将快速而干净地失败,而不是在未来未确定的时间冒着任意的非确定性行为。

请注意,迭代器的故障快速行为无法保证,因为一般来说,在不同步并发修改的情况下,无法做出任何硬性保证。 失败快速迭代器尽力扔掉ConcurrentModificationException 。 因此,编写依赖于此异常的程序的正确性将是错误的:迭代器的故障快速行为应仅用于检测错误。

>> 带符号右移。正数右移高位补0,负数右移高位补1
>>> 无符号右移。无论正数还是负数,高位通通补0

HashMap

一 构造函数

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注意,在上述构造函数中:

  • 如果初始容量为负值或负载系数为非正值 会抛出 IllegalArgumentException 异常
  • 如果初始容量为负 会抛出 IllegalArgumentException 异常
  • 如果 指定的map为空 会抛出 NullPointerException异常

在HashMap中,本文涉及到的几个全局变量的定义如下

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/**
* The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
* by either of the constructors with arguments.
* MUST be a power of two <= 1<<30.
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 该表在首次使用时初始化,并根据需要调整大小。 分配时,长度始终是2的幂。
* (在某些操作中,我们还允许长度为零,以 * 允许使用当前不需要的引导机制。)
*/
transient Node<K, V>[] table;

/**
* 对该HashMap进行结构修改的次数结构修改是指更改HashMap中的
* 映射次数或以其他方式修改其内部结构(例如,重新哈希)的修改。
* 此字段用于使HashMap的Collection-view上的迭代器快速失败。
* (请参见ConcurrentModificationException)。
*/
transient int modCount;
/**
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
* 阀域值
* @serial
*/
// (The javadoc description is true upon serialization.
// Additionally, if the table array has not been allocated, this
// field holds the initial array capacity, or zero signifying
// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
int threshold;

二 put方法

实现原理

  1. 计算关于key的hashcode值(与Key.hashCode的高16位做异或运算)
  2. 如果散列表为空时,调用resize()初始化散列表
  3. 如果没有发生碰撞,直接添加元素到散列表中去
  4. 如果发生了碰撞(hashCode值相同),进行三种判断
    4.1: 若key地址相同或者equals后内容相同,则替换旧值
    4.2: 如果是红黑树结构,就调用树的插入方法
    4.3:链表结构,循环遍历直到链表中某个节点为空,尾插法进行插入,插入之后判断链表个数是否到达变成红黑树的阙值8;也可以遍历到有节点与插入元素的哈希值和内容相同,进行覆盖。
  5. 如果桶满了大于阀值,则resize进行扩容

原始代码如下:

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  /**
* 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);
}

这里其实调用的是putVal方法,其具体参见如下

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/**
* 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) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;

if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//执行一次,第一次才会执行 ,这里会触发 【扩容】
n = (tab = resize()).length;

// 注意 tab[i = (n - 1) & hash]
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//如果key已经存在就不会进入
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

else {
// key 已经存在才会进入
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
//除非表太小,否则用给定的哈希替换索引中bin处bin中的所有链接节点,在这种情况下,将调整大小。
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);

// 注意这里流程中断
return oldValue;
}


}

++modCount;

if (++size > threshold)
resize();

afterNodeInsertion(evict);

return null;
}

在使用put方法时,可能会抛出以下四种运行时异常

  • UnsupportedOperationException – 如果此映射不支持put操作
  • ClassCastException – 如果指定键或值的类阻止其存储在此映射中
  • NullPointerException – 如果指定的键或值是null,并且此映射不允许空键或值
  • IllegalArgumentException – 如果指定键或值的某些属性阻止将其存储在此映射中

其中newNode方法的定义如下

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// Create a regular (non-tree) node
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
return new Node<>(hash, key, value, next);
}

未命名文件 (1)

三 get方法

实现原理

对key的hashCode进行hashing,与运算计算下标获取bucket位置,如果在桶的首位上就可以找到就直接返回,否则在树中找或者链表中遍历找,如果有hash冲突,则利用equals方法去遍历链表查找节点。

原始代码如下

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/**
* 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;
}

具体的getNode的定义如下

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/**
* Implements Map.get and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @return the node, or null if none
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;

if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

//第一个元素的key 与给定的key是否相等
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;

if ((e = first.next) != null) {

if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);

}
}
return null;
}

四 key值处理

对key的hashCode做hash操作,与高16位做异或运算

原始代码如下

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static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

>>> 无符号右移。无论正数还是负数,高位通通补0

为什么不直接将key作为哈希值而是与高16位做异或运算

因为数组位置的确定用的是与运算,仅仅最后四位有效,设计者将key的哈希值与高16为做异或运算使得在做&运算确定数组的插入位置时,此时的低位实际是高位与低位的结合,增加了随机性,减少了哈希碰撞的次数

HashMap默认初始化长度为16,并且每次自动扩展或者是手动初始化容量时,必须是2的幂。

五 扩容

原始代码如下

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/**
* 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 Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
//旧的集合容量大小
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//旧的阀域值为系统的阀域值
// threshold 的默认值为 0
int oldThr = threshold;

int newCap, newThr = 0;

if (oldCap > 0) {
// 定义 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
//扩容的阀域值
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//新的阀域值为旧的
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}


else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//新的容量值为旧的阀域值
newCap = oldThr;

else {
////////////////第一次时这里会进来//////////////
// zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}


if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}

// 第一次之后,这两个值均为 12
threshold = newThr;

@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];

//新的table =====> 系统table
table = newTab;

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)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
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;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}

return newTab;
}

初始化或增加表大小。 如果为空,则根据字段阈值中保持的初始容量目标进行分配。 否则,因为我们使用的是2的幂,所以每个bin中的元素必须保持相同的索引,或者在新表中以2的幂偏移。

在扩容时,默认的是使用的Node,定义如下

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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;
}
}