HashMap的底层原理剖析

首先我们来看一下hashmap的源码:

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

由源码可知:
1.HashMap继承于AbstractMap类
2.它实现了 两个接口,分别是:
(1)Cloneable接口,故HashMap可以被克隆
(2)Serializable 接口,故HashMap可以实现序列化

HashMap是非线程安全的,只适用于单线程环境下,多线程环境下可以采用concurrent并发包下的concurrentHashMap。
接下来我们来看其内部实现:

1.基本属性

 /**
     * 
     * 默认的初始容量必须是2的幂
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    /**
   最大容量为2的30次幂,如果指定容量大于最大容量,则使用指定的容量
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     *在构造函数中未指定的情况下使用的负载因子。
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

1.HashMap的默认初始容量必须是2的次幂,为16;
2.HashMap的最大容量是2的30次幂;

3.装载因子为0.75;此处要注意的一点是:
装载因子越大,填满的元素越多,好处是,空间利用率高了,但发生哈希冲突的机会加大了.链表长度会越来越长,查找效率降低。反之,加载因子越小,填满的元素越少,好处是:冲突的机会减小了,但:空间浪费多了.表中的数据将过于稀疏(很多空间还没用,就开始扩容了),发生哈希冲突的机会越大,则查找的成本越高

2.

 /**
     垃圾箱可以树化的最小的表容量。(否则,如果一个bin中节点太多,则调整表的大小。)应该至少为4*TREEIFY_阈值,以避免调整大小和树化阈值之间的冲突。
     */
   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;
        }
    }

可以看出数据在HashMap中都是以Key-Val键值对的形式存在,且节点都有一个next属性,故此处需要说明一点:
在JDK1.7阶段,是不存在树的,即挂载到数组同一个位置的多个Node通过next属性构成了一个单向链表。而在JDK1.8中,当单项链表中元素大于等于8时,单项列表会变为一棵树。该树为红黑树。该转化操作是由final void treeifyBin(Node[] tab, int hash)函数实现的。

3.元素的插入

  /**
    将指定的值与此映射中的指定键关联。*如果映射以前包含键的映射,则替换旧的值。
     */
    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<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            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);
                //说明是红黑树,按照红黑树方法放入新节点
            else {
            // 说明是列表,按照列表方法放入新节点
                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
                            treeifyBin(tab, hash);
                            // 如果放入列表后列表过长,则将列表转为红黑树
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { //  // 这里说明新值和旧值的key完全相同,进行覆盖操作
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

在此处总结一下,想HashMap中元素插入过程:
1.计算要插入数据的Hash值,并根据该值确定元素的插入位置(即在动态数组中的位置)。
2.将元素放入到数组的指定位置
3.如果该数组位置之前没有元素,则直接放入放入该位置后,数组元素超过扩容阈值,则对数组进行扩容,放入该位置后,数组元素没超过扩容阈值,break;
如果该数组位置之前有元素,则挂载到已有元素的后端,如果之前元素组成了树,则挂入树的指定位置,如果之前元素组成了链表;
4.如果加入该元素链表长度超过8,则将链表转化为红黑树后插入
5.如果加入该元素链表长度不超过8,则直接插入

4.扩容

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//如果长度大于容量最大值,则不进行扩容
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) //初始容量处于阈值
            newCap = oldThr;
        else {               // 零初始阈值表示使用默认值
            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);
        }
        threshold = newThr; // 创建一个新的数组
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
        //对所有元素重新进行哈希
            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;
    }

HashMap的扩容主要分为两步:
1.容量扩容为原来的两倍。
2.将已经hash分布到数组中的所有元素重新计算hash值,分配到新的数组中。

最后有两点比较重要:
1.HashMap 的实现不是同步的,这意味着它不是线程安全的。
2.HashMap允许有null存在

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