Java容器解析——HashMap

前言

HashMap是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

1 定义

public class HashMap extends AbstractMap
    implements Map, Cloneable, Serializable {

}

由HashMap定义可以看出

1） HashMap表示支持泛型
2）继承自AbstractMap抽象类，实现对于Map容器的操作方法。
3）实现Map接口，实现Map接口中定义的诸多方法。
4）实现Cloneable接口，
5）实现Serializable接口，保证容器的可序列化。

2 属性值

HashMap的属性值含义已在代码注释中给出。

    //默认初始化容量大小，必须为2的幂的数，初始为16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
    //最大容量值
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    //默认负载因子为0.75，代表table的填充度
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //链表长度阈值，HashMap采用数组+链表形式存储
    //当链表长度过长影响查询效率，因此当链表长度超过此值时，链表转为红黑树形式存储，以提升效率。
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    //树最小容量
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    //存储节点的数组
    transient Node[] table;
    
    transient Set> entrySet;
    // 容器中键值对的数目
    transient int size;
    
    transient int modCount;
    //阈值，超过阈值则需要扩容
    int threshold;
    //负载因子
    final float loadFactor;
    
    //节点数据结构
    static class Node implements Map.Entry {
        //哈希值
        final int hash;
        //键值
        final K key;
        //对应元素值
        V value;
        //指向下一个节点
        Node next;

        //构造方法
        Node(int hash, K key, V value, Node 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;
        }
    }
    

3 构造方法

1） 无参数

    //采用默认值初始化
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

2）初始化容量为initialCapacity

    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

3）初始化容量为initialCapacity，负载因子为loadFactor

    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);
    }

4）使用集合初始化

    public HashMap(Map m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }
    //遍历集合，将集合中元素添加到this容器中
    final void putMapEntries(Map m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) { // pre-size
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            else if (s > threshold)
                resize();
            for (Map.Entry e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }

4 核心方法

方法	含义	时间复杂度
get(Object key)	根据key获取value	O(1)
put(K key, V value)	存储键值对	O(1)
containsKey(Object key)	是否包含key	O(n)
containsValue(Object value)	是否包含value	O(n)
remove(Object key)	删除key对应的value	O(n)
size()	容器元素数目	O(1)
isEmpty()	集合是否为空	O(1)
clear()	清空集合	O(n)

5 put()方法

put()方法添加键值对。在分析put()过程中会发现HashMap中有红黑树的实现过程。HashMap是采用数组加链表的方式存储数据的，当链表长度过长时影响查找效率，因此当链表长度超过一定阈值时，将链表结构转为红黑树存储，提升查找效率。

    //添加键为key，值为value
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    
    //添加键值对的方法
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        //使用到的中间变量
        Node[] tab; Node p; int n, i;
        //如果当前数组为空，或者表长度为0，调用resize()方法重新分配容量
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 如果数组中对应的索引位置的节点p为空，即不存在冲突情况，直接将键值对存储在索引为i位置。
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        
        //若存在冲突，则需要遍历链表寻找添加位置
        else {
            Node e; K k;
            //如果节点p的键值与待存储节点的键值相同，将p节点赋给e节点
            //后面会对e几点进行判断，如果不为空，则将e节点的值赋值为value，采用替换的方式存储新的键值对，保证key的不可重复。
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            // 如果p节点的类型是TreeNode，，说明此时p节点所处的链表已经转为红黑树存储的方式。则调用红黑树的添加节点方法，添加新的节点 
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            //p节点的键不重复，且当前仍采用链表形式存储 ，则遍历p节点为头节点的链表
            else {
                //链表的遍历，binCount记录链表的长度
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //查到到链表尾
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 将新键值对创建的节点插在链表尾
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 判断链表长度有没有过长，超过限定值，若超过，则需改为红黑树的形式存储
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                           // treeifyBin的作用在于将链表结构改为红黑树存储
                           treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    
                    // 在遍历链表过程中发现了有相同key的节点，则采用替换方式。
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //如果e节点不为空，说明存在相同key，则替换此节点的value，并返回旧的value
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        
        ++modCount;
        //更新键值对数目，并判断是否需要扩容。
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

    //resize方法进行重新分配容量
    final Node[] resize() {
        //获取旧表
        Node[] oldTab = table;
        //旧表为空oldCap=0，否则oldCap = 旧表长度
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        // 存储旧阈值
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //旧表不为空
        if (oldCap > 0) {
            // 原数组长度大于最大容量(1073741824) 则将threshold设为Integer.MAX_VALUE=2147483647
                // 接近MAXIMUM_CAPACITY的两倍
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            //没有达到最大容量，则容量扩大二倍，同时阈值扩大二倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            // 如果原来的thredshold大于0则将容量设为原来的thredshold
            // 在第一次带参数初始化时候会有这种情况
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            // 在默认无参数初始化会有这种情况
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        
        if (newThr == 0) {
            // loadFactor 哈希负载因子 默认0.75,可在初始化时传入,16*0.75=12 可以放12个键值对
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        //设置新的临界值
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        //扩容操作，创建新的容量大小的数组newTab
        Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        // 如果原来的table有数据，则将数据复制到新的table中
        if (oldTab != null) {
            // for循环遍历旧数组
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)//如果当前节点不存在下一个节点，即此节点为存储在数组中的节点
                        //将节点e添加至数组索引为e.hash & (newCap - 1)的位置。
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)//如果节点e是TreeNode
                        // 如果e节点时红黑树的节点，则调用TreeNode的split()方法
                        // 由于红黑树的知识也是比较复杂，本篇中不做过多解释。这里只说明树的各类方法的作用。split()方法是拆分红黑树，以实现节点的重新映射。
                        ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // 如果e节点是链表中的节点，则实现链表的复制
                    
                        //链表的复制操作，即将旧表中的含有e节点的链表复制到新表中
                        Node loHead = null, loTail = null;
                        Node hiHead = null, hiTail = null;
                        Node 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;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        //返回扩容后的新表
        return newTab;
    }
    
    
    

6 get()方法

get()方法根据键值获取元素值.

    public V get(Object key) {
        Node e;
        //查找键值为key的节点，查找成功返回value值，否则返回null。
        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;
        
        //检查集合不为空，将first指向第一个节点
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            
            
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //查找到节点，返回节点
                return first;
                
            if ((e = first.next) != null) {
                // 如果节点e类型为红黑树的节点类型，则调用getTreeNode()方法返回节点。getTreeNode()方法是完成红黑树的查找操作。
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
                    
                // 如果节点e为普通类型的节点，则遍历链表查找
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        //没有查找到返回null
        return null;
    }
    
    

7 contains()方法

    //判断是否包含键key
    public boolean containsKey(Object key) {
        //同样采用getNode方法进行查找，查找结果不为null则说明存在
        return getNode(hash(key), key) != null;
    }
    //是否包含value
    public boolean containsValue(Object value) {
        Node[] tab; V v;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                    if ((v = e.value) == value ||
                        (value != null && value.equals(v)))
                        return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

8 remove()方法

    @Override
    public boolean remove(Object key, Object value) {
        return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
    }
    
    //删除节点
    final Node removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
        Node[] tab; Node p; int n, index;
        
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node node = null, e; K k; V v;
            //查找节点操作
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
            
                // 红黑树的节点查找
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    //链表的节点查找
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            
            
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                 (value != null && value.equals(v)))) {
                    
                //查找到的节点为红黑树节点，则调用红黑树的删除节点方法
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    // 查找到的节点属于数组table中的元素，则直接将tab中的元素重新赋值
                    tab[index] = node.next;
                else
                    //链表的节点赋值
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                //更新数目
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }
    

9 小结

HashMap采用数组+链表的方式存储键值对，当链表长度超过限定阈值，则将链表结构调整为红黑树，提高查找效率。通过源码可以看出在添加键值对时没有null检查，因此HashMap是允许null值的。

10 对比

1） HashMap允许将null作为一个entry的key或者value，而Hashtable不允许。
2） 由于HashMap非线程安全，Hashtable是线程安全的。
3）HashMap增加了红黑树。