0.6、HashMap 源码学习-新增节点、扩容机制、红黑树转化机制

前言

体能状态先于精神状态，习惯先于决心，聚焦先于喜好。

HashMap 源码学习的基础准备工作

HashMap 的一些基础知识

学习方式

笔者通过 一小段测试代码，然后开启 debug 运行模式，对 HashMap 代码逻辑进行跟踪。
这样的好处非常明显，类似于拆毛衣，顺着一根线一直拽。

版本声明：本文源码基于JDK1.8

本文展示的源码来自JDK1.8

基本策略和方式

从线到面的策略

向 HashMap 对象放入第一个键值对时引起第一次扩容-从 null 到默认容量；
向HashMap 对象放入第13个元素时，触发 扩容阈值 的扩容；
“Aa”.hashCode()和"BB".hashCode()结果一样，观察链表产生逻辑；
HashMap对象可以存储 null 值，null 值作为 key，按照hashCode()=0处理
HashMap同一个key只允许占用一个节点位置-后来者覆盖前者

借助测试代码

这代码可不是乱扔的 ,而是专门为debug 设计的，在关键位置设置 debug ,跟踪代码将有事半功倍的效果。

@Test
/**
* 观察一些基本流程
*/
public void testHashMap() {
	HashMap<Integer,Integer> map=new HashMap<Integer,Integer>();
	//观察 HashMap 数组初始化-开始HashMap对象数组为null
	map.put(1, 1);
	//添加第2-第11个元素
	for(int i=2;i<=12;i++) {
		map.put(i, i);
	}
	//观察key值覆盖-返回旧值
	System.out.println(map.put(12, 1212));
	//观察第一次扩容-添加第13个元素
	map.put(13, 13);
}

/*
* 观察新键值对放入链表
*/
@Test
public void testLink(){
	HashMap map=new HashMap();
	map.put("Aa","AA");
	map.put("BB","BB");
	map.get("Aa");
}

 /*
 * IfAbsent 在value时无效
 * IfAbsent的作用是，如果key已经存在则不允许覆盖，但是当value为null时，这个命令无效
 */
@Test
public void testAbsent(){
    HashMap map=new HashMap();

    map.put("Aa","AA");
    map.put("BB",null);
    System.out.println(map.get("Aa"));
    System.out.println(map.get("BB"));
    //map.put("BB","CC");
    map.putIfAbsent("Aa","Aa2");
    map.putIfAbsent("BB","BB2");
    System.out.println(map.get("Aa"));//不会被替换
    System.out.println(map.get("BB"));//会被替换
}

几个重要的内部变量

HashMap 内部维护了几个重要的变量，用于在新加元素时进行是否扩容、是否链表转红黑树的判断。

/**默认数组长度:16*/
int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 
/** 最大容量*/
int MAXIMUM_CAPACITY 1<<30
/**加载因子:扩容时判断.有缩容吗?貌似没有*/
float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f ;
/**链表新增节点数达到8个时,该链表改为红黑树*/
int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
/**红黑树节点减少达到6个时,红黑树恢复为链表结构*/
int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

/**
* 最小树形化容量阈值：即 当哈希表中的容量 > 该值时，才允许树形化链表
*（即 将链表 转换成红黑树）
* 否则，若桶内元素太多时，则直接扩容，而不是树形化
* 为了避免进行扩容、树形化选择的冲突，这个值不能小于 4 * TREEIFY_THRESHOLD
* */
int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
/**目前 HashMap 包含的所有非空节点数*/
transient int size;

进入源码

从key定位到数组的位置

哈希表在存储元素前，需要通过hash散列函数对新元素的位置进行计算，一般的对象都是 hashCode（）方法，不同的类型可能会覆盖重写。
在源码中，HashMap 对key在数组中的定位分为了两步，第一步是对 hashCode（）进行了二次封装，第二部是用 & 运算确定第一步hash值在数组中的下标，从而确定这个key在数组中的位置。

第一步：对key.hashCode()的封装

/**HashMap 新增元素调用 hash（key） 方法计算hash值*/
public V put(K key, V value) {
     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
 }
 /**hash()函数*/
static final int hash(Object key) {
      int h;
      //如果新增键值对key为null，则hash值为0,
      //否则计算 key.hashCode(),然后和 key.hashCode()>>>16 进行 ^运算
      //int在Java中为32位，>>>16 将得到一个前16位为0后16位为原先hashCode（）值高16位的组合值-（补码的角度）
      //这样在key不为null时，相当于key的原hash值与hash值补码的高16位进行 ^运算
      //1111 1111
      //0000 1111
      //1111 0000
      //最终结果是 原hash值补码的高16位不变，后16位进行随机变化
      //这样处理的原因是为了进一步增大hash值的分散程度
      return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
  }

第二步：将hash值定位到数组的具体位置

HashMap 内部有一个 Node 节点类型的数组，新增节点可以保存到数组上，也可能保存到数组节点连接的链表或红黑树上。
对于新增节点，需要先判断该节点对应数组的哪一个位置。

/**HashMap 新增元素调用 hash（key） 方法计算hash值
hash(key)计算出了hash值*/
public V put(K key, V value) {
  return putVal(hash(key), key, value, false, true);
 }

/**在 putVal 方法内部*/
···
//tab 用于临时取代数组
//n则为数组的当前长度
//p用于获取当前key对应的数组位置的节点-结果可能为null
Node<K,V>[] tab; int n;Node<K,V> p
···
tab = table;
n = tab.length;
···
//这里展示 hash 值如何对应到 数组的某一个位置
//n为数组的长度，之前强调其为2的倍数，其不小于16，
//那么 n-1 用二进制表示就是 10000-1 100000-1 1000000-1
//即 1111 11111 111111
//使用这个值对 hash 值进行 & 运算的结果 正好是在数组下标的范围内 0-15，0-31,0-63
//这样就定位到 key 在数组中的位置了
//额外插一句，在jdk1.7之前，这里的算法不是位运算，而是除法，对计算机来说，
//位运算的效率显然是最高的,这也是jdk1.8的一个优化举措
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
···

新加节点触发的一系列逻辑

源码使用了这样的策略：
1、借助临时变量保存HashMap对象当前数组等数据。
2、对当前临时变量进行判断。
3、如果需要扩容则新建一个数组，然后重hash，将新数组赋值给原数组变量。
4、如果不涉及扩容，而是新增节点，则分为三种情况。
4.1、新节点，数组位置为null，则直接将节点保存到数组；
4.2、如果新节点hash定位的数组位置不为null,则需要将其添加到该位置对应的节点后面，判断该节点是普通节点还是红黑树节点，如果是普通节点，则将其添加到链表末端，如果在添加完毕后链表长度达到8，那么再次判断数组长度是否大于64，如果满足这俩条件，则该链表转化为红黑树，否则触发扩容
4.3、如果新节点hash定位的数组位置不为null,则需要将其添加到该位置对应的节点后面，判断该节点是普通节点还是红黑树节点，如果是红黑树节点，则将其添加到红黑树中
5、对于key相同的旧节点覆盖的逻辑：
5.1、如果一个旧键值对的value为null，那么只要新节点的key和旧节点key相同，该value一定会被替换为新值
5.2、如果使用 hashMap.putIfAbsent(“Aa”,“Aa2”);命令，只有key不存在于旧节点中时，才会将新键值对保存到map，但是5.2同样遵循5.1的规则
5.3、对于 put(key,value),如果key对应节点已存在,不论key是不是null,新节点就会覆盖旧节点的value,即使value一样,或者value为null
put之后返回被替换的旧值,对于非覆盖新增新的节点返回null,对于null还是返回null
key为null,节点存在链表数组0的位置,因为hashcode=0

源码:数组为null或长度为0 引发扩容

java.util.HashMap.putVal

源码:map非空节点数大于扩容阈值引发扩容

java.util.HashMap.putVal
注意：这里的非空节点指定是被调用者保存的节点的数目，而不是初始化时空数组时的状态，HashMap允许保存一个key为null的键值对，这个调用者保存的空节点是被包含的。
源码使用 int size 来做记录

源码:红黑树判断中引发扩容

java.util.HashMap.treeifyBin
在调用 treeifyBin(tab, hash);将链表转红黑树时，该方法会在增加一个判断
即数组不为null 并且，数组长度 > 64

static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

源码：链表节点数等于8时转红黑树-未必真转

java.util.HashMap.putVal
源码使用for循环计数，当计数值达到7（因为是从0开始计数，故节点数为8个）时，会调用 treeifyBin方法，当数组满足长度大于64时将会转化为红黑树

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

源码:新增节点 IfAbsent 的逻辑

java.util.HashMap.putVal
IfAbsent =true 表示与新节点相同key的旧节点不会被覆盖，但是当旧节点的value值为null时，ifAbsent的设置是无效的
在HashMap中，put(K,V) 命令 ifAbsent=false；putIfAbsent(K 真正替换原节点的逻辑是在 afterNodeAccess(e); 中完成的

看put(key,value)和putIfAbsent(key,value)的返回值

从 put 返回值看 hashMap添加节点过程
新节点返回null,覆盖节点返回旧值-不管是否允许覆盖
如果put或者puIfAbsent 的key是null, 肯定会覆盖,只要覆盖就返回旧值(value),即使旧值为null

参考链接

[1]、https://blog.csdn.net/DZ266912/article/details/78233465
[2]、https://blog.csdn.net/DZ266912/article/details/78233777
[3]、https://blog.csdn.net/dz266912/article/details/78278570