一、先来复习一下我们常用的几个方法
public class HashMapTest {
HashMap hashMap=new HashMap<>();
//添加方法
hashMap.put("1", "chris");
//遍历方法1_for
Set keys=hashMap.keySet();
for(String key:keys){
System.out.println(key+"="+hashMap.get(key));
}
//遍历方法1_iterator(for和iterator实现原理相同)
Iterator iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
String key = iter.next();
String value = map.get(key);
}
//遍历方法2_for
Set> entrys= hashMap.entrySet();
for(Entry entry:entrys){
String key=entry.getKey();
String value=entry.getValue();
}
//遍历方法2_iterator
Iterator> iterator=hashMap.entrySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
Map.Entry entry=iterator.next();
String key=entry.getKey();
String value=entry.getValue();
}
//查询方法
hashMap.get("1");
//删除方法
hashMap.remove("1");
}
二、HashMap类图结构
三、HashMap数据结构
我们知道在Java中最常用的两种结构是数组和模拟指针(引用)，几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现。数组的存储方式在内存的地址是连续的，大小固定，一旦分配不能被其他引用占用。它的特点是查询快，时间复杂度是O(1)，插入和删除的操作比较慢，时间复杂度是O(n)，链表的存储方式是非连续的，大小不固定，特点与数组相反，插入和删除快，查询速度慢。HashMap可以说是一种折中的方案吧。
四、HashMap重要概念
五、HashMap源码分析
按照使用的顺序来分析源码
1、HashMap hashMap=new HashMap<>();
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
其中默认容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
默认加载因子DEFAULT_LOAD_FACTOR
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
构造函数有几个，但最后都会落到HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
public HashMap( int initialCapacity, float loadFactor){
//初始容量不能<0
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
+ initialCapacity);
//初始容量不能 > 最大容量值，HashMap的最大容量值为2^30
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//负载因子不能 < 0
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
+ loadFactor);
// 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
//设置HashMap的容量极限，当HashMap的容量达到该极限时就会进行扩容操作
threshold = (int) (capacity * loadFactor);
//初始化table数组
table = new Entry[capacity];
init();
}
其中涉及到位运算<<,，capacity <<= 1等价于capacity=capacity<<1，表示capacity左移1位
从源码中可以看出，每次新建一个HashMap时，都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点
static class Entry implements Map.Entry {
final K key;
V value;
Entry next;
final int hash;
Entry(int h, K k, V v, Entry n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
.......
}
其中Entry为HashMap的内部类，它包含了键key、值value、下一个节点next，以及hash值，这是非常重要的，正是由于Entry才构成了table数组的项为链表
2、hashMap.put("1", "chris");
先来看看put的几种分支
HashMap通过键的hashCode来快速的存取元素。当不同的对象hashCode发生碰撞时，HashMap通过单链表来解决，将新元素加入链表表头，通过next指向原有的元素。
先说说大概的过程：当我们调用put存值时，HashMap首先会获取key的哈希值，通过哈希值快速找到某个存放位置，这个位置可以被称之为bucketIndex。
对于一个key，如果hashCode不同，equals一定为false，如果hashCode相同，equals不一定为true。
所以理论上，hashCode可能存在冲突的情况，也叫发生了碰撞，当碰撞发生时，计算出的bucketIndex也是相同的，这时会取到bucketIndex位置已存储的元素，最终通过equals来比较，equals方法就是哈希码碰撞时才会执行的方法，所以说HashMap很少会用到equals。HashMap通过hashCode和equals最终判断出K是否已存在，如果已存在，则使用新V值替换旧V值，并返回旧V值，如果不存在 ，则存放新的键值对
下面我们来看看put的源码
public V put(K key, V value) {
//当key为null，调用putForNullKey方法，保存null于table第一个位置中，这是HashMap允许为null的原因
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//计算key的hash值
int hash = hash(key.hashCode()); ------(1)
//计算key hash 值在 table 数组中的位置
int i = indexFor(hash, table.length); ------(2)
//从i出开始迭代 e,找到 key 保存的位置
for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//判断该条链上是否有hash值相同的(key相同)
//若存在相同，则直接覆盖value，返回旧value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value; //旧值 = 新值
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue; //返回旧值
}
}
//修改次数增加1
modCount++;
//将key、value添加至i位置处
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
通过源码我们可以清晰看到HashMap保存数据的过程为：
1)首先判断key是否为null，若为null，则直接调用putForNullKey方法
private V putForNullKey(V value) {
for (HashMapEntry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
从代码可以看出，如果key为null的值，默认就存储到table[0]开头的链表了。然后遍历table[0]的链表的每个节点Entry，如果发现其中存在节点Entry的key为null，就替换新的value，然后返回旧的value，如果没发现key等于null的节点Entry，就增加新的节点
2)计算key的hashcode（hash(key.hashCode())），再用计算的结果二次hash（indexFor(hash, table.length)），找到Entry数组的索引i，这里涉及到hash算法，最后会详细讲解
3)遍历以table[i]为头节点的链表，如果发现hash，key都相同的节点时，就替换为新的value，然后返回旧的value，只有hash相同时，循环内并没有做任何处理
4)modCount++代表修改次数，与迭代相关
5)对于hash相同但key不相同的节点以及hash不相同的节点，就增加新的节点（addEntry()）
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//获取bucketIndex处的Entry
Entry e = table[bucketIndex];
//将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry
table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);
//若HashMap中元素的个数超过极限了，则容量扩大两倍
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
这里新增加节点采用了头插法，新节点都增加到头部，新节点的next指向老节点
这里涉及到了HashMap的扩容问题，随着HashMap中元素的数量越来越多，发生碰撞的概率就越来越大，所产生的链表长度就会越来越长，这样势必会影响HashMap的速度，为了保证HashMap的效率，系统必须要在某个临界点进行扩容处理。该临界点在当HashMap中元素的数量等于table数组长度*加载因子。但是扩容是一个非常耗时的过程，因为它需要重新计算这些数据在新table数组中的位置并进行复制处理。
void resize(int newCapacity) {
HashMapEntry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
HashMapEntry[] newTable = new HashMapEntry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
从代码可以看出，如果大小超过最大容量就返回。否则就new 一个新的Entry数组，长度为旧的Entry数组长度的两倍。然后将旧的Entry[]复制到新的Entry[]
void transfer(HashMapEntry[] newTable) {
int newCapacity = newTable.length;
for (HashMapEntry e : table) {
while(null != e) {
HashMapEntry next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
在复制的时候数组的索引int i = indexFor(e.hash, newCapacity);重新参与计算
3、Iterator iter = map.keySet().iterator();
keySet()方法可以获取包含key的set集合，调用该集合的迭代器可以对key值遍历
public Set keySet() {
Set ks = keySet;
if (ks == null) {
ks = new KeySet();
keySet = ks;
}
return ks;
}
KeySet是HashMap中的内部类，继承AbstractSet，KeySet中获取的迭代器为KeyIterator
private final class KeySet extends AbstractSet {
public Iterator iterator() {
return new KeyIterator();
}
......
}
KeyIterator继承自HashIterator
private final class KeyIterator extends HashIterator {
public K next() {
return nextEntry().getKey();
}
}
private abstract class HashIterator implements Iterator {
HashMapEntry next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot
HashMapEntry current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
HashMapEntry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
HashMapEntry e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
HashMapEntry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
}
4、Iterator> iterator=hashMap.entrySet().iterator();
public Set> entrySet() {
return entrySet0();
}
private Set> entrySet0() {
Set> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
EntrySet是HashMap内部类，继承AbstractSet，EntrySet中获取的迭代器为EntryIterator
private final class EntrySet extends AbstractSet> {
public Iterator> iterator() {
return newEntryIterator();
} ......
}
Iterator> newEntryIterator() {
return new EntryIterator();
}
private final class EntryIterator extends HashIterator> {
public Map.Entry next() {
return nextEntry();
}
}
private abstract class HashIterator implements Iterator {
HashMapEntry next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot
HashMapEntry current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
HashMapEntry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
HashMapEntry e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
HashMapEntry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
}
显然entrySet()遍历的效率会比keySet()高，因为keySet获取key的集合后，还需要调用get（）方法，相当于遍历两次
5、hashMap.get("1");
public V get(Object key) {
// 若为null，调用getForNullKey方法返回相对应的value
if (key == null)
return getForNullKey();
// 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
int hash = hash(key.hashCode());
// 取出 table 数组中指定索引处的值
for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//若搜索的key与查找的key相同，则返回相对应的value
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
在这里能够根据key快速的取到value除了和HashMap的数据结构密不可分外，还和Entry有莫大的关系，在前面就提到过，HashMap在存储过程中并没有将key，value分开来存储，而是当做一个整体key-value来处理的，这个整体就是Entry对象。同时value也只相当于key的附属而已。在存储的过程中，系统根据key的hashcode来决定Entry在table数组中的存储位置，在取的过程中同样根据key的hashcode取出相对应的Entry对象
6、hashMap.remove("1");
public V remove(Object key) {
Entry e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.getValue());
}
final Entry removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
HashMapEntry prev = table[i];
HashMapEntry e = prev;
while (e != null) {
HashMapEntry 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;
}
六、总结
1.HashMap结合了数组和链表的优点，使用Hash算法加快访问速度，使用散列表解决碰撞冲突的问题，其中数组的每个元素是单链表的头结点，链表是用来解决冲突的
2.HashMap有两个重要的参数：初始容量和加载因子。这两个参数极大的影响了HashMap的性能。初始容量是hash数组的长度，当前加载因子=当前hash数组元素/hash数组长度，最大加载因子为最大能容纳的数组元素个数（默认最大加载因子为0.75），当hash数组中的元素个数超出了最大加载因子和容量的乘积时，要对hashMap进行扩容，扩容过程存在于hashmap的put方法中，扩容过程始终以2次方增长。
3.HashMap是泛型类，key和value可以为任何类型，包括null类型。key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中，当然不一定是存放在头结点table[0]中。
4.哈希表的容量一定是2的整数次幂，原因和indexFor(int h, int length)方法有关
/**
* "按位与"来获取数组下标
*/
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length - 1);
}
大家都知道计算机里面位运算是基本运算，位运算的效率是远远高于取余%运算的
举个例子：2^n转换成二进制就是1+n个0，减1之后就是0+n个1，如16 -> 10000，15 -> 01111
那么根据&位运算的规则，都为1(真)时，才为1，那0≤运算后的结果≤15，假设h <= 15，那么运算后的结果就是h本身，h >15，运算后的结果就是最后四位二进制做&运算后的值，最终，就是%运算后的余数。
当容量一定是2^n时，h & (length - 1) == h % length
5.HashMap是非线程安全的，并发情况下会形成环形链表