【JavaDS】HashMap与HashSet的底层原理

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文章目录

  • 一. HashMap底层原理
    • 1. HashMap的属性
    • 2. HashMap的构造方法
    • 3. 给HashMap分配内存的时机
    • 4. HashMap中的put
    • 5. HashMap中的哈希函数
    • 6. HashMap的扩容机制
  • 二. HashSet的底层原理

一. HashMap底层原理

HashMap是Java集合框架中Map容器的一个实现类, jdk7中采用数组+链表实现,在jdk8中采用数组+链表+红黑树实现; 这里基于jdk1.8的源码进行分析.

1. HashMap的属性

HashMap对象被构造时,初始的默认容量为1<<4,也就是16,并且必须是2的幂;

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

HashMap最大的容量为1<<30, 也就是2 ^ 30;

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

HashMap默认的负载因子为0.75

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

链表树化的最小链表大小阈值8,当HashMap中数组大于64 且 数组所挂链表的大小超过8才会将数组所挂的链表转换为红黑树;

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

红黑树链表化的的阈值是6,当红黑树结点个数小于6时,就会转换为链表;

static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

HashMap底层是一个链表数组;

transient Node<K,V>[] table;

元素个数阈值,当HashMap的size大于threshold时会执行resize()操作,hreshold=capacity*loadFactor,其中capacity表示数组的容量。

int threshold;

2. HashMap的构造方法

HashMap最常用的构造方法,一个是无参的构造方法,使用无参构造方法构造HashMap时,默认的构造容量是16;

还有一个是指定容量的构造方法,并且所取容量为大于或等于指定容量的一个最接近的2次幂数,比如我们指定容量为19,那实际构造容量为32;

注意调用构造方法时并不是真的就为数组申请空间了, 只是指定了了大小 , 也就是说当HashMap对象创建时,内部的数组并没有分配内存.

public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

下面的是指定容量和负载因子的构造方法,其中tableSizeFor(initialCapacity)方法会生成比initialCapacity大并最接近initialCapacity的一个2次幂

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                           initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                           loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

从源码可以看出其实在使用以上三种构造方法进行对象构造的时候,并没有为数组分配空间,只是确定负载因子,容量等属性。

还有一个根据其他的Map对象构造HashMap的构造方法,使用这种方式构造,只要传入的参数有元素,那么就会申请空间。

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);
}

3. 给HashMap分配内存的时机

真正为数组分配内存是在第一次put操作的时候,

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

putVal其中第一个参数是通过哈希函数 hash() 返回的哈希值;

如果是第一次插入,就会对链表数组进行扩容,此时才正式地给数组分配内存:

【JavaDS】HashMap与HashSet的底层原理_第1张图片

在resize()方法中,会为数组分配内存

4. HashMap中的put

如果是首次扩容,先判断数组是否为空,若数组为空则进行第一次扩容(resize),会为HashMap对象申请一个默认容量大小16的数组。

  1. 通过hash()方法计算索引,找到在数组中的位置。
  2. 插入数据,分以下几种情况:
  • 如果当前位置元素为空,则直接插入数据;
  • 如果当前位置元素非空,遍历链表或红黑树,如果key已存在,则直接覆盖其value;
  • 如果当前位置元素非空,遍历链表或红黑树,如果key不存在,则将数据链尾插到链表;
  • 若链表长度达到8,并且HashMap中的table数组大小达到64,则将链表转换成红黑树,并将数据插入树中,如果链表长度达到8但是table数组大小没有64, 则将数组扩容;
  1. 检查存储的元素个数,如果超过阈值threshold,则扩容。这一步其实也就是检查负载因子是否超过默认值,超过就扩容。

5. HashMap中的哈希函数

HashMap中的hash()方法,首先会根据key计算出hashCode值,然后再将hashCode值与右移16为的hashCode值进行按位异或操作,得到一个新的哈希值,这样让低16位和高16位都参与了运算, 目是让哈希值更随机更均匀, 降低低冲突率.

【JavaDS】HashMap与HashSet的底层原理_第2张图片

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

在调用put, gat等方法时会去找到某个key所对应的数组索引,HashMap不是通过直接取数组长度的模来得到对应的下标,取而代之的是使用按位与&运算来进行下标的计算,位运算的效率是大于取模%操作的。

在jdk8源码中,使用h&(n-1)来获取对应table数组的索引(下标)

【JavaDS】HashMap与HashSet的底层原理_第3张图片

6. HashMap的扩容机制

HashMap中table数组初始默认大小为16,在jdk8中,HashMap的扩容,采用了2倍扩容。

当HashMap对象中元素个数size大于threshold或者数组为null时会扩容resize()

为了解决哈希冲突,jdk8采用了数组+链表+红黑树的方式实现,当数组中某链表的长度大于8,并且数组table的长度达到64,就会将链表转换为红黑树来提高效率,当数组中某链表长度大于8但是数组table长度没有达到64,此时就会进行扩容。

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当红黑树结点个数小于6时,就会将红黑树转换回链表。

在扩容的时候,会将所有的元素遍历,全部重新计算哈希值并全部重新确定在数组中的位置。

二. HashSet的底层原理

HashSet底层其实是HashMap实现的,默认的无参构造方法是构建一个初始容量为16,负载因子为0.75 的HashMap。

它封装了一个 HashMap 对象来存储所有的集合元素,所有放入 HashSet 中的集合元素实际上由 HashMap 的 key 来保存,而 HashMap 的 value 则存储了一个 PRESENT,它是一个静态的 Object 对象。

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