Java容器框架（四）--HashMap实现原理

1、简介

本篇文章主要介绍HashMap的实现原理，HashMap可以说是map家族中最重要的类，也是我们平常使用过程中最常见的类。下面我们来看看HashMap的整个类结构：

public class HashMap extends AbstractMap
    implements Map, Cloneable, Serializable 

2、整体数据结构

在jdk1.8之前，HashMap是基于数组+链表的数据结构来保存数据的，在jdk1.8中对此做了优化，HashMap是基于数组+链表+红黑树的数据结构来保存数据；我们知道红黑树的查找比链表查找速度要快很多，因此到链表长度达到一定值后，链表结构会变为红黑树的结构。下图是基于jdk1.8来进行分析的：

3、具体代码实现

3.1 关键变量

 // 初始容量为 16
 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

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

 // 负载因子默认值
 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 
 // 桶上的链表长度大于等于8时，链表转化成红黑树
 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

 // 桶上的红黑树大小小于等于6时，红黑树转化成链表
 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

 // 当数组容量大于 64 时，链表才会转化成红黑树
 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

 //存放数据的数组
 transient Node[] table;

 //链表的节点
 static class Node implements Map.Entry 
 
 //红黑树的节点
 static final class TreeNode extends LinkedHashMap.Entry 

static class Node implements Map.Entry {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node next;
}

通过如上变量，我们可以知道HashMap保存的数据量是有限制的，不能无限制保存数据。

3.2  put(K key, V value)

代码细节如下：

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

/**
     * 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[] tab; Node p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length; // 如果数组为空，使用 resize 方法初始化
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
             // 如果当前索引位置是空的，直接生成新的节点在当前索引位置上
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
             // e 当前节点的临时变量
            Node 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)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
                            // 当链表的长度大于等于 8 时，链表转红黑树
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                     // 链表遍历过程中，发现有元素和新增的元素相等，结束循环
                    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)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

4、总结

HashMap 的内容虽然较多，但大多数 api 都只是对数组 + 链表 + 红黑树这种数据结构进行封装而已，本篇文章主要是从增加元素的方法入手，其他api相对比较简单，想了解更多，可以前往 github 上查看更多源码。