Java源码剖析34讲学习笔记~2

1. 数据结构

• 1.7 数组 + 链表
• 1.8 数据 + 链表 + 红黑树(链表大于8并且总长度大于64)

2. 相关面试题

• JDK 1.8 HashMap 扩容时做了哪些优化?

  • 通过高位运算 (e.hash & oldCap) 确定元素需要移动, 例如:

    key1信息如下:
    - key1.hash = 10 0000 1010
    - oldCap = 16 0001 0000
    使用 e.hash & oldCap 得到的结果高一位为 0
    当结果为 0 时表示元素在扩容时位置不会发生任何改变
    
    key2信息如下:
    - key2.hash = 10 0001 0001
    - oldCap = 16 0001 0000
    使用 e.hash & oldCap 得到的结果高一位为 1
    当结果为 1 时, 表示元素在扩容时, 位置发生变化, 新的下标位置等于原下标位置 + 原数组长度
    

• 加载因子为什么是0.75?

  • HashMap初始容量为 16, 16 * 0.75(加载因子) = 12, 当HashMap中元素达到 12 时, 就会进行扩容

  • 加载因子为0.75的原因是容量和性能之间平衡的结果

    • 当加载因子设置比较大时, 扩容的门槛就被提高了, 扩容发生的频率比较低, 虽然占用的空间会比较小, 但此时发生Hash冲突的几率会提升, 因此需要更复杂的数据结构来存储元素, 这样对元素的操作时间就会增加, 运行效率也会因此降低

    • 而当加载因子值比较小的时候, 扩容的门槛会比较低, 因此会占用更多的空间, 此时元素的存储就比较稀疏, 发送Hash冲突的可能性就比较小, 操作性能会比较高

• 当有哈希冲突时, HashMap是如何查找并确认元素的?

  • 当哈希冲突时需要通过判断 key 值是否相等，才能确认此元素是不是我们想要的元素

• HashMap源码中有哪些重要的方法?

  • 查询

    public V get(Object key){
        Node e;
        // 对key进行哈希操作
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
    
    final Node getNode(int hash, Object key){
        Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
        // 非空判断
        if((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash)] != null){
            // 判断第一个元素是否是要查询的元素
            if(first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))){
                return first;
            }
            // 下一个节点非空判断
            if((e = first.next) != null){
                // 如果第一节点是树结构, 则使用getTreeNode直接获取相应的数据
                if(first instanceof TreeNode){
                    return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
                }
                do{ // 非树结构, 循环节点判断
                    // hash 相等并且key相同, 则返回此节点
                    if(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))){
                        return e;
                    }
                }while((e = e.next) != null);
            }
        }
           return null;
    }
    

  • 新增

    public V put(K key, V value){
        // 对key进行哈希操作
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        Node[] tab; Node p; int n, i;
        // 哈希表为空则创建表
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 根据key的哈希值计算出要插入的数组索引 i
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 如果table[i] 等于null, 则直接插入
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node e; K k;
            // 如果key已经存在了, 直接覆盖value
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            // 如果key不存在, 则判断是否为红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 红黑树直接插入键值对
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                // 为链表结构, 循环准备插入
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 链表长度大于8转换为红黑树进行处理
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // key已经存在直接覆盖value
                    if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) {
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        // 超过最大容量, 扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
    

• 扩容

  final Node[] resize() {
      // 扩容器的数组
      Node[] oldTab = table;
      // 扩容前的数组的大小和阈值
      int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
      int oldThr = threshold;
      // 预定义新数组的大小和阈值
      int newCap, newThr = 0;
      if (oldCap > 0) {
          // 超过最大值就不再扩容了
          if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
              threshold = Integer.MAX_VALUE;
              return oldTab;
          }
          // 扩大容量为当前容量的两倍, 但不能超过MAXIMUM_CAPACITY
          else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
              newThr = oldThr << 1;
      }
      // 当前数组没有数据, 使用初始化的值
      else if (oldThr > 0)
          newCap = oldThr;
      else {
          // 如果初始化的值为0, 则使用默认的初始化容量
          newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
          newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
      }
      // 如果新的容量等于0
      if (newThr == 0) {
          float ft = (float)newCap * loadFactor;
          newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
      }
      threshold = newThr;
      @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
      Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
      // 开始扩容, 将新的容量赋值给table
      table = newTab;
      // 原数据不为空, 将元数据复制到新的table中
      if (oldTab != null) {
          // 根据容量循环数组, 复制非空元素到新table
          for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
              Node e;
              if ((e = oldTab[j]) != null) {
                  oldTab[j] = null;
                  // 如果链表只有一个, 则进行直接复制
                  if (e.next == null)
                      newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                  else if (e instanceof TreeNode)
                      // 红黑树相关的操作
                      ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                  else {
                      // 链表复制, JDK 1.8 扩容优化部分
                      Node loHead = null, loTail = null;
                      Node hiHead = null, hiTail = null;
                      Node next;
                      do {
                          next = e.next;
                          // 原索引
                          if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                              if (loTail == null)
                                  loHead = e;
                              else
                                  loTail.next = e;
                              loTail = e;
                          }
                          // 原索引 + oldCap
                          else {
                              if (hiTail == null)
                                  hiHead = e;
                              else
                                  hiTail.next = e;
                              hiTail = e;
                          }
                      } while ((e = next) != null);
                      // 将原索引放到哈希桶中
                      if (loTail != null) {
                          loTail.next = null;
                          newTab[j] = loHead;
                      }
                      if (hiTail != null) {
                          hiTail.next = null;
                          newTab[j + oldCap] = hiHead;
                      }
                  }
              }
          }
      }
      return newTab;
  }
  

• HashMap是如何导致死循环的?

  • 原因:

    • JDK1.7 链表插入方式为首部倒序插入
    • JDK1.8 进行了改善, 变成了尾部正序插入

  • 案例

    /**
     * JDK1.7
     * 假设HashMap默认大小为2
     * 原本HashMap中有一个元素key(5)
     * 再使用两个线程:
     * t1添加元素key(3)
     * t2添加元素key(7)
     * 当元素key(3)和key(7)都添加到HashMap后
     * 线程t1在执行到Entry next = e.next;时
     * 交出了CPU的使用权
     */
    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash){
        int newCapacity = newTable.length;
        for(Entry e : table){
            while(null != e){
                // 线程一执行此处
                Entry next = e.next;
                if(rehash){
    				e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }
    
    /**
     * 当t1重新获得执行权之后
     * 先执行 newTable[i] = e 把key(3) 的 next 设置为 key(7)
     * 而下次循环时查询到 key(7) 的 next 元素为 key(3)
     * 于是就形成了 key(3) 和 key(7) 的循环引用
     * 因此导致了死循环的发生
     */
    

3. JDK1.8源码中包含属性

// HashMap 初始化长度
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    
// HashMap 最大长度
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 1073741824

// 默认的加载因子(扩容因子)
static final int DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 转换红黑树的临界值, 当链表长度大于此值时, 会把链表结构转换为红黑树结构
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

// 转换链表的临界值, 当元素小于此值时, 会将红黑树结构转换成链表结构
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

// 最小树容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;