[JDK8环境下的HashMap类应用及源码分析] capacity实验

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系列文章目录

[Java基础] StringBuffer 和 StringBuilder 类应用及源码分析
[Java基础] 数组应用及源码分析
[Java基础] String，分析内存地址，源码
[JDK8环境下的HashMap类应用及源码分析] 第一篇 空构造函数初始化
[JDK8环境下的HashMap类应用及源码分析] 第二篇 看源码了解HashMap的扩容机制
[JDK8环境下的HashMap类应用及源码分析] 第三篇 修改capacity实验
[[JDK8环境下的HashMap类应用及源码分析] 第四篇 哈希冲突、链表变红黑树]

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效果展示

	public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, NoSuchFieldException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {

        HashMap map = new HashMap<>(7);

        //获取HashMap整个类
        Class<?> hashMapClszz = map.getClass();
        //获取指定属性，也可以调用getDeclaredFields()方法获取属性数组
        Field threshold =  hashMapClszz.getDeclaredField("threshold");
        //将目标属性设置为可以访问
        threshold.setAccessible(true);

        Field loadFactor = hashMapClszz.getDeclaredField("loadFactor");
        loadFactor.setAccessible(true);

        //获取指定方法，因为HashMap没有容量这个属性，但是capacity方法会返回容量值
        Method capacity = hashMapClszz.getDeclaredMethod("capacity");
        //设置目标方法为可访问
        capacity.setAccessible(true);

        //打印刚初始化的HashMap的元素数量、阈值、容量
        System.out.println("map里的元素数量:" +  map.size() );
        System.out.println("map下一次触发扩容的阈值:" +  threshold.get(map) );
        System.out.println("map下一次触发扩容的真实阈值比率:" +  loadFactor.get(map) );
        System.out.println("map的容量:" +  capacity.invoke(map) );

        for (int i = 0; i < 14; i++) {
            System.out.println("------------------------------------");
            map.put(i , i);
            System.out.println("map里的元素数量:" +  map.size() );
            System.out.println("map下一次触发扩容的阈值:" +  threshold.get(map) );
            System.out.println("map下一次触发扩容的阈值比率:" +  loadFactor.get(map) );
            System.out.println("map的容量:" +  capacity.invoke(map) );
            System.out.println("------------------------------------");
        }

    }

map里的元素数量:0
map下一次触发扩容的阈值:8
map下一次触发扩容的真实阈值比率:0.75
map的容量:8
------------------------------------
map里的元素数量:1
map下一次触发扩容的阈值:6
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:8
------------------------------------
2-5省略
------------------------------------
map里的元素数量:6
map下一次触发扩容的阈值:6
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:8
------------------------------------
------------------------------------
map里的元素数量:7
map下一次触发扩容的阈值:12
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:16
------------------------------------
8-11省略
------------------------------------
map里的元素数量:12
map下一次触发扩容的阈值:12
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:16
------------------------------------
------------------------------------
map里的元素数量:13
map下一次触发扩容的阈值:24
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:32
------------------------------------
------------------------------------
map里的元素数量:14
map下一次触发扩容的阈值:24
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:32
------------------------------------

1、步骤拆解

• 使用带参数initialCapacity的构造函数实例化HashMap，入参：7
• 使用Java的反射机制，去获取threshold 、 loadFactor 、capacity值
• 打印刚初始化的HashMap的元素数量、阈值、容量
• 添加1条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量
• 添加到7条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量
• 添加到12条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量
• 添加到13条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量

2、使用带参数initialCapacity的构造函数实例化HashMap,入参：7

备注：HashMap也提供有参的构造函数，可以修改loadFactor等

     /**
     * Constructs an empty HashMap with the specified initial
     * capacity and the default load factor (0.75).
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity.
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
     */
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

我们在这里创建一个HashMap对象，initialCapacity入参7

3、使用Java的反射机制，去获取threshold 、 loadFactor 、capacity值

查看HashMap源代码，有threshold、loadFactor属性，有capacity、loadFactor方法。后续的loadFactor我们就直接使用属性，代码也只截取了属性

	/**
     * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
     *
     * @serial
     */
    // (The javadoc description is true upon serialization.
    // Additionally, if the table array has not been allocated, this
    // field holds the initial array capacity, or zero signifying
    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
    int threshold;

    /**
     * The load factor for the hash table.
     *
     * @serial
     */
    final float loadFactor;

	final int capacity() {
        return (table != null) ? table.length :
            (threshold > 0) ? threshold :
            DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    }

	  //获取HashMap整个类
      Class<?> hashMapClszz = map.getClass();
      //获取指定属性，也可以调用getDeclaredFields()方法获取属性数组
      Field threshold =  hashMapClszz.getDeclaredField("threshold");
      //将目标属性设置为可以访问
      threshold.setAccessible(true);

      Field loadFactor = hashMapClszz.getDeclaredField("loadFactor");
      loadFactor.setAccessible(true);

      //获取指定方法，因为HashMap没有容量这个属性，但是capacity方法会返回容量值
      Method capacity = hashMapClszz.getDeclaredMethod("capacity");
      //设置目标方法为可访问
      capacity.setAccessible(true);

4、打印刚初始化的HashMap的元素数量、阈值、容量

• 通过第3节反射获取的2个属性和1个方法，可以打印出实例化对象里属性值和方法返回结果；
• 在操作Field、Method之前，需要设置Field、Method的权限为可访问

	//属性的语法
    Field.get(实例化对象)
	
	//方法的语法
    Method.invoke(实例化对象)

4.1、代码和结果

	 //打印刚初始化的HashMap的元素数量、阈值、容量
     System.out.println("map里的元素数量:" +  map.size() );
     System.out.println("map下一次触发扩容的阈值:" +  threshold.get(map) );
     System.out.println("map下一次触发扩容的真实阈值比率:" +  loadFactor.get(map) );
     System.out.println("map的容量:" +  capacity.invoke(map) );
     System.out.println("------------------------------------");

结果：

map里的元素数量:0
map下一次触发扩容的阈值:8
map下一次触发扩容的真实阈值比率:0.75
map的容量:8
------------------------------------

4.2、查看带initialCapacity构造函数源代码

查看带initialCapacity构造函数源代码，看看做了哪些操作

• loadFactor赋值 0.75（下一次触发扩容的真实阈值比率）
• threshold赋值8（传入的参数7，调用tableSizeFor方法，取值大于7的最近2的次方，2->4->8）
• size（在Java里int的默认值是0）
• table未赋值，为null
• capacity方法返回值：8（threshold=8，table=null，当前三元运算返回值threshold）

代码区：

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

	/**
     * Constructs an empty HashMap with the specified initial
     * capacity and load factor.
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
    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);
    }

	/**
     * Returns a power of two size for the given target capacity.
     */
    static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }
    
    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    
    int threshold;
    final float loadFactor;
    transient int size;
    transient Node<K,V>[] table;

    /**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

4.3、map.size()

见4.2，size此时值为0

    /**
     * Returns the number of key-value mappings in this map.
     *
     * @return the number of key-value mappings in this map
     */
    public int size() {
        return size;
    }

4.4、threshold.get(map)

见4.2，threshold此时值为8
传入的参数7，调用tableSizeFor方法，取值大于7的最近2的次方
作者fan2012huan讲解的tableSizeFor

4.5、loadFactor.get(map)

见4.2，loadFactor此时值为0.75

4.6、capacity.invoke(map)

table此时=null，threshold=8，DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=16
三元运算此时结果为8

	final int capacity() {
        return (table != null) ? table.length :
            (threshold > 0) ? threshold :
            DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    }

5、添加1条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量

备注：其他添加数据操作会省略代码

	 for (int i = 0; i < 14; i++) {
          System.out.println("------------------------------------");
          map.put(i , i);
          System.out.println("map里的元素数量:" +  map.size() );
          System.out.println("map下一次触发扩容的阈值:" +  threshold.get(map) );
          System.out.println("map下一次触发扩容的阈值比率:" +  loadFactor.get(map) );
          System.out.println("map的容量:" +  capacity.invoke(map) );
          System.out.println("------------------------------------");
      }

结果：

------------------------------------
map里的元素数量:1
map下一次触发扩容的阈值:6
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:8
------------------------------------

5.1、查看map.put(0 , 0)源码

 /**
     * Associates the specified value with the specified key in this map.
     * If the map previously contained a mapping for the key, the old
     * value is replaced.
     *
     * @param key key with which the specified value is to be associated
     * @param value value to be associated with the specified key
     * @return the previous value associated with key, or
     *         null if there was no mapping for key.
     *         (A null return can also indicate that the map
     *         previously associated null with key.)
     */
    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

5.1.1、对key做哈希

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

5.1.2、调用putVal方法

入参 key哈希、key、value、onlyIfAbsent、evict（最后2个参数忽略）

• size++ 在putVal里触发一次，此时值为1（size不涉及数组转链表，哈希冲突等逻辑，看源码是只统计元素总个数）
• table为null，触发resize()
• threshold在resize()里变更为6，table的长度赋值8

此时resize的步骤拆解代码：

	 Node<K,V>[] oldTab = table;    //null
     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;   //oldTab=null，值为0
     int oldThr = threshold;   //threshold=8
     int newCap, newThr = 0;
     if (oldCap > 0) {    // 0 > 0 == false
         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
             threshold = Integer.MAX_VALUE;
             return oldTab;
         }
         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                  oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
             newThr = oldThr << 1; // double threshold
     }
     // oldThr = 8 > 0 == true，执行此逻辑
     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
         newCap = oldThr;   // newCap = 8
     else {               // zero initial threshold signifies using defaults
         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
     }
        
     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
     Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; //创建有8个节点的数组
     table = newTab; //上一步的数组，赋给table
     

• loadFactor不变

 /**
     * 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);
            else {
                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);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

 	/**
     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
     * accord with initial capacity target held in field threshold.
     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
     * elements from each bin must either stay at same index, or move
     * with a power of two offset in the new table.
     *
     * @return the table
     */
    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) {
                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) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            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;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            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;
    }

6、添加到7条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量

代码见第5节

结果：

------------------------------------
map里的元素数量:7
map下一次触发扩容的阈值:12
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:16
------------------------------------

6.1、调用map.put 6次

• size++ 在putVal里触发6次，此时值为1 + 6 = 7
• table不为null，且元素数量为7，7<=6 为 false , 触发resize()
• threshold变更为16
• table的长度变更为16

7、添加到8条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量

代码见第5节

结果：

------------------------------------
map里的元素数量:8
map下一次触发扩容的阈值:12
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:16
------------------------------------

7.1、调用map.put 1次

• size++ 在putVal里触发1次，此时值为7 + 1 = 8
• table不为null，且元素数量为8，8<=12 为 true , 不触发resize()
• threshold不变，还是12
• table的长度不变，还是16

8、添加到13条数据之后打印HashMap的元素数量、阈值、容量

代码见第5节

结果：

map里的元素数量:13
map下一次触发扩容的阈值:24
map下一次触发扩容的阈值比率:0.75
map的容量:32
------------------------------------

8.1、调用map.put 5次

• size++ 在putVal里触发5次，此时值为8 + 5 = 13
• table不为null，且元素数量为13，13 <=12 为 false , 触发resize()
• capacity、table长度的在原基础上*2，,此时capacity、table长度为32
• threshold= table.length * loadFactor = 32 * 0.75 = 24 , 此时threshold值为24

关键字

1. capacity：HashMap的容量，即哈希表中桶的数量。在创建HashMap时，可以指定初始容量，如果不指定，默认为16。当哈希表中的元素数量达到容量的75%时，会触发扩容操作。

2. threshold：HashMap的阈值，即哈希表中元素数量的上限。当哈希表中元素数量达到阈值时，会触发扩容操作。阈值的计算公式为：threshold = capacity * loadFactor。其中，loadFactor是负载因子，它的默认值为0.75。

3. size：HashMap中元素的数量。当向HashMap中添加元素时，size会自动增加；当从HashMap中删除元素时，size会自动减少。

4. modCount：HashMap的修改次数。当向HashMap中添加或删除元素时，modCount会自动增加。在迭代HashMap时，如果发现modCount发生变化，则会抛出ConcurrentModificationException异常，防止在迭代过程中修改HashMap导致数据不一致的问题。

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