HashMap底层实现(源码分析)

一、数据结构  
Map将实际数据存储在Entry类的数组中。 
代码片段： 

Java代码    

1. transient Entry[] table;//HashMap的成员变量，存放数据  
2.   
3. static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {//内部类Entry  
4.     final K key;  
5.     V value;  
6.     Entry<K,V> next;//指向下一个数据  
7.     final int hash;  
8.   
9.     /** 
10.      * Creates new entry. 
11.      */  
12.     Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {  
13.         value = v;  
14.         next = n;  
15.         key = k;  
16.         hash = h;  
17.     }  

执行下面代码后，可能的存储内部结构是: 
Map map = new HashMap(); 
map.put("key1","value1"); 
map.put("key2","value2"); 
map.put("key3","value3"); 


执行put方法时根据key的hash值来计算放到table数组的下标，如果hash到相同的下标，则新put进去的元素放到Entry链的头部，如上图所示。put方法的源码后面详细解释。 

二、属性和构造方法  

Java代码    

1. static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默认的初始大小，如果执行无参的构造方法，则默认初始大小为16  
2. static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量，1073741824  
3. static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//默认的负载因子，如果没有通过构造方法传入负载因子，则使用0.75。  
4. transient Entry[] table; //存放具体键值对的Entry数组  
5. transient int size; //HashMap的大小  
6. int threshold;//阀值  threshold = (int)(capacity * loadFactor); 即容量*负载因子，执行put方法时如果size大于threshold则进行扩容，后面put方法将会看到  
7. final float loadFactor; //用户设置的负载因子  
8. transient volatile int modCount;//HashMap实例被改变的次数，这个同ArrayList  

构造方法一、 

Java代码    

1. public HashMap() {  
2.     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;  
3.     threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);  
4.     table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];  
5.     init();  
6. }  

使用了默认的容量和默认的负载因子。 
构造方法二、 

Java代码    

1. public HashMap(int initialCapacity) {  
2.     this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  
3. }  

使用了用户设置的初始容量和默认的负载因子。 
构造方法三、 

Java代码    

1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {  
2.     if (initialCapacity < 0)  
3.         throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +  
4.                                            initialCapacity);  
5.     if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)  
6.         initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;  
7.     if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))  
8.         throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +  
9.                                            loadFactor);  
10.   
11.     // Find a power of 2 >= initialCapacity  
12.     int capacity = 1;  
13.     while (capacity < initialCapacity)  
14.         capacity <<= 1;  
15.   
16.     this.loadFactor = loadFactor;  
17.     threshold = (int)(capacity * loadFactor);  
18.     table = new Entry[capacity];  
19.     init();  
20. }  

用户传入了初始容量和负载因子，这两个值是HashMap性能优化的关键，涉及到了HashMap的扩容问题。 
HashMap的容量永远是2的倍数，如果传入的不是2的倍数则被调整为大于传入值的最近的2的倍数，例如如果传入130，则capacity计算后是256。是这段代码起的作用： 

Java代码    

1. while (capacity < initialCapacity)  
2.         capacity <<= 1;  

构造方法四、 

Java代码    

1. public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {  
2.     this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,  
3.                   DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);//计算Map的大小  
4.     putAllForCreate(m);//初始化  
5. }  
6.   
7. private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {  
8.     for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {//通过entryset进行遍历  
9.         Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();  
10.         putForCreate(e.getKey(), e.getValue());  
11.     }  
12. }  

根据传入的map进行初始化。 

三、关键方法  
1）put 

Java代码    

1. public V put(K key, V value) {  
2.     if (key == null)  
3.         return putForNullKey(value);//单独处理，总是放到table[0]中  
4.     int hash = hash(key.hashCode());//计算key的hash值，后面介绍性能的时候再说这个hash方法。  
5.     int i = indexFor(hash, table.length);//将hash和length-1取&来得到数组的下表  
6.     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {  
7.         Object k;  
8.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {  
9.             V oldValue = e.value;  
10.             e.value = value;  
11.             e.recordAccess(this);  
12.             return oldValue;  
13.         }  
14.     }//如果这个key值，原来已经则替换后直接返回。  
15.     modCount++;  
16.     addEntry(hash, key, value, i);  
17.     return null;  
18. }  
19. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
20. Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  
21.        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);//如果table[bucketIndex]中已经存在Entry则放到头部。  
22.        if (size++ >= threshold)//如果大于了阀值，则扩容到原来大小的2倍。  
23.            resize(2 * table.length);  
24.    }  
25.   
26. void resize(int newCapacity) {  
27.     Entry[] oldTable = table;  
28.     int oldCapacity = oldTable.length;  
29.     if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
30.         threshold = Integer.MAX_VALUE;  
31.         return;  
32.     }  
33.   
34.     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
35.     transfer(newTable);//赋值到新的table中，注意转移后会重新hash，所以位置可能会跟之前不同，目的是均匀分不到新的table中。  
36.     table = newTable;  
37.     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
38. }  

2）get方法 

Java代码    

1. public V get(Object key) {  
2.     if (key == null)  
3.         return getForNullKey();  
4.     int hash = hash(key.hashCode());  
5.     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];//找到数组的下表，进行遍历  
6.          e != null;  
7.          e = e.next) {  
8.         Object k;  
9.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))  
10.             return e.value;//找到则返回  
11.     }  
12.     return null;//否则，返回null  
13. }  

3)remove方法 

Java代码    

1. public V remove(Object key) {  
2.     Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);  
3.     return (e == null ? null : e.value);  
4. }  
5.   
6. final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {  
7.     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());  
8.     int i = indexFor(hash, table.length);  
9.     Entry<K,V> prev = table[i];  
10.     Entry<K,V> e = prev;  
11.   
12.     while (e != null) {//Entry链未遍历完则一直遍历  
13.         Entry<K,V> next = e.next;  
14.         Object k;  
15.         if (e.hash == hash &&  
16.             ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {  
17.             modCount++;  
18.             size--;  
19.             if (prev == e)//如果是第一个，则将table[i]执行e.next  
20.                 table[i] = next;  
21.             else //否则将前一个的next指向e.next  
22.                 prev.next = next;   
23.             e.recordRemoval(this);  
24.             return e;  
25.         }  
26.         prev = e;//未找到则继续往后遍历  
27.         e = next;  
28.     }  
29.   
30.     return e;  
31. }  

4)HashMap的遍历方法 

Java代码    

1. Map map = new HashMap();  
2. map.put("key1","value1");  
3. map.put("key2","value2");  
4. map.put("key3", "value3");  
5. for(Iterator it = map.entrySet().iterator();it.hasNext();){  
6.     Map.Entry e = (Map.Entry)it.next();  
7.     System.out.println(e.getKey() + "=" + e.getValue());  
8. }  
9. System.out.println("-----------------------------------------");  
10. for(Iterator it = map.keySet().iterator();it.hasNext();){  
11.     Object key = it.next();  
12.     Object value = map.get(key);  
13.     System.out.println(key+"="+value);  
14. }  
15. System.out.println("-----------------------------------------");  
16. System.out.println(map.values());  
17.   
18. 输出为：  
19. key3=value3  
20. key2=value2  
21. key1=value1  
22. -----------------------------------------  
23. key3=value3  
24. key2=value2  
25. key1=value1  
26. -----------------------------------------  
27. [value3, value2, value1]  

四、性能相关  
1）hash 
如果总计算到相同的数组下标，则得进行Entry的遍历来取值和存放值，必然会影响性能。 
所以HashMap提供了hash方法，来解决key的hashCode方法质量不高问题。 

Java代码    

1. public V put(K key, V value) {  
2. ...  
3. int hash = hash(key.hashCode());  
4. ...  
5. }  
6.   
7. static int hash(int h) {  
8.     // This function ensures that hashCodes that differ only by  
9.     // constant multiples at each bit position have a bounded  
10.     // number of collisions (approximately 8 at default load factor).  
11.     h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);  
12.     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  
13. }  

2）初始容量和负载因子 
因为put的时候可能需要做扩容，扩容会导致性能损耗，所以如果可以预知Map大小的话，可以设置合理的初始大小和负载因子来避免HashMap的频繁扩容导致的性能消耗。 

Java代码    

1. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
2. ntry<K,V> e = table[bucketIndex];  
3.       table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
4.       if (size++ >= threshold)  
5.           resize(2 * table.length);  
6.   }  

五、同Hashtable的区别  
1）HashMap允许key和value都可以为null,Hashtable都不可以为空。 
HashMap的put方法，代码片段： 

Java代码    

1. if (key == null)  
2.         return putForNullKey(value);  

Hashtable的put方法，代码片段： 

Java代码    

1. if (value == null) {  
2.     throw new NullPointerException();  
3. }  
4. Entry tab[] = table;  
5.     int hash = key.hashCode();  

2）HashMap是非线程安全的，Hashtable是线程安全的。 
Hashtable的put和get方法均为synchronized的。 
六、ConcurrentHashMap  
ConcurrentHashMap是Doug Lea写的线程安全的HashMap实现，将HashMap默认划分为了16个Segment，减少了锁的争用，另外通过写时加锁读时不加锁减少了锁的持有时间，优雅的解决了高并发下锁的高竞争问题。感兴趣的可参见笔者的另一篇博客 http://frank1234.iteye.com/blog/2162490