HashMap - 基本思想

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HashMap会分四篇博客介绍，分别是基本思想、优化、线程安全和拓展。本文介绍基本思想。

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HashMap 基本数据结构

Java HashMap解决哈希冲突，使用了成链法，故采用了数组Node[]加链表Node.next的数据结构。
Java8为降低链表查询的时间复杂度，引入了红黑树TreeNode。

class HashMap {

    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    private static final int DEFAULT_TABLE_SIZE = 16;
    private static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

    private int size; // HashMap 大小，即存储键值对的个数
    private float loadFactor; // 负载因子
    private int threshold; // 当前 table 长度和 loadFactor 负载因子下，能容下的最大键值对数
    private Node[] table; // 存储键值对的数组

    public HashMap() {
        this(DEFAULT_TABLE_SIZE, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    public HashMap(int initSize, float initLoadFactor) {
        this.loadFactor = initLoadFactor;
        // table 的长度必须是 2^n，后面解释为什么这样设计
        int tableSize = tableSizeFor(initSize);
        // JDK 源码中 table 数组不在在构造函数中初始化，是 resize 时初始化
        this.table = new Node[tableSize];
        // 初始化阈值
        this.threshold = (int) (this.table.length * this.loadFactor);
    }

    /**
     * 节点数据结构，存储 Key 和 Value
     */
    private static class Node implements Map.Entry {
        int hash;
        K key;
        V value;
        Node next;
    }

    /**
     * 红黑树数据结构
     */
    private static class TreeNode extends Node {
        TreeNode parent;
        TreeNode left;
        TreeNode right;

        /**
         * 将一个节点插入当前的红黑树
         */
        TreeNode putTreeVal(Node node) { }
    }

    /**
     * 求大于等于 cap 且为 2^n 的数
     */
    static final int tableSizeFor(int cap) { }
}

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如何存储 - 第一步：找桶

public void put(Key key, Value value) {
    int hashCode = key.hashCode();
    int hash = hash(hashCode);
    // 等价于 index = hash % table.length
    int index = hash & (table.length - 1);
}

/**
 * 扰动函数：目的是增大 hashCode 的随机性，使其更散列。
 */
private int hash(int hashCode) { }

• 问题一：数组长度为什么设计成2^n？

  用位运算代替乘除和求余运算，提高效率。
  扩容是 2 倍扩容，可以直接使用左移运算；与运算可代替求余运算。

• 问题二：为什么与运算等价于求余运算？

  首先明确，与运算不等价求余运算；m % n = m & (n-1) 当且仅当 n 是 2 的次幂。
  例如：
  131101% 81000= (81000 + 50101) % 8 = 5（保留了 8 的后三位）
  151111% 40100= (121100 + 30011) % 4 = 3（保留了 15 的后两位）
  上面观察出，保留的位数正好是求模数1后面0的个数。从位运算看，就是和这么多个1做按位与。
  即：131101% 81000= 131101 & 70111；151111% 40100= 151111 & 30011
  
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如何存储 - 第二步：找坑

public void put(Key key, Value value) {
    Node head = table[index];
    // 如果当前位置还没有存储，则直接创建节点
    if (head == null) {
        table[index] = new Node<>(hashCode, key, value);
    }
    // 红黑树则插入
    else if (head instanceof TreeNode) {
        ((TreeNode) head).putTreeVal(new Node<>(hash, key, value));
    }
    // 否则要遍历当前链表，为其找到合适位置
    else {
        int nodeCount = 0;
        Node tail = null;
        while (head != null) {
            nodeCount++;
            // 如果 key 已经存在，则直接替换 value，直接 return，不会 size++
            if (head.hash == hashCode && head.key.equals(key)) {
                head.value = value;
                return;
            }
            // 找到尾结点
            if (head.next == null) {
                tail = head;
            }
            head = head.next;
        }
        // 循环结束，表示遍历到尾，未找到 key 存在，则新建一个节点
        tail.next = new Node<>(hashCode, key, value);
        // 链表长度超过阈值，转为红黑树
        if (nodeCount > TREEIFY_THRESHOLD) {
            treeifyBin(index);
        }
    }
    // 最后记录键值对个数增加
    size++;
}

/**
 * 将 index 所在的链表转换为红黑树
 */
private void treeifyBin(int index) { }

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扩容

private void resize() {
    if (size <= threshold) {
        return;
    }
    Node[] oldTable = table;
    int oldCap = oldTable.length;
    // 计算新数组长度，并初始化新数组
    int newCap = oldCap << 1;
    table = new Node[newCap];
    threshold = (int) (newCap * loadFactor);
    // 遍历每个桶
    for (int i = 0; i < oldCap; i++) {
        Node head = oldTable[i];
        if (head == null) {
            continue;
        }
        // 红黑树
        if (head instanceof TreeNode) {
            reassignTreeNode(head);
        }
        // 遍历链表，重新分配
        else {
            reassignNodeChain(head, i, oldCap);
        }
    }
}

/**
 * 将链表上的节点重新分配
 */
private void reassignNodeChain(Node head, int currentIndex, int oldCap) {
    // 将一条链表拆成两条链表
    Node lowHead = null, lowTail = null;
    Node highHead = null, highTail = null;
    do {
        // 低位链，后面解释为什么这样判断
        if ((head.hash & oldCap) == 0) {
            if (lowHead == null) {
                lowHead = head;
            }
            if (lowTail != null) {
                lowTail.next = head;
            }
            lowTail = head;
        }
        // 高位链
        else {
            if (highHead == null) {
                highHead = head;
            }
            if (highTail != null) {
                highTail.next = head;
            }
            highTail = head;
        }
    } while ((head = head.next) != null);
    // 将两条链表放入新 table，后面解释为什么这样放
    table[currentIndex] = lowHead;
    table[currentIndex + oldCap] = highHead;
}

/**
 * 将红黑树上的节点重新分配
 */
private void reassignTreeNode(Node head) { }

• 问题一：为什么一条链表上的节点一定会分为两条链？

  设扰动后15，新数组长度8，原索引3。
  根据上面解释的与运算原理，则新索引只会等于0011或0111。所以一定会分布在两条确定的链上。

• 问题二：新两条链在 table 中位置如何确定？

  由问题一观察，0011 = 0011 | 0000或0111 = 0011 | 0100，即新索引等于原索引+0或+原数组长度。
  
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• 感谢

博客中使用了如下两篇博客中的图片，谢谢。同时这两篇博客也是非常好的学习HashMap的博客。
感谢 @前利 老师
感谢 @Carson_Ho 老师