HashMap底层实现(源码分析)
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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 
transient Entry[] table;//HashMap的成员变量，存放数据
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {//内部类Entry
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;//指向下一个数据
final int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
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
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
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量，1073741824
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。
transient Entry[] table; //存放具体键值对的Entry数组
transient int size; //HashMap的大小
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
final float loadFactor; //用户设置的负载因子
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
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}
使用了默认的容量和默认的负载因子。
构造方法二、
Java代码
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
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
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);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}
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
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
构造方法四、
Java代码
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);//计算Map的大小
putAllForCreate(m);//初始化
}
private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {//通过entryset进行遍历
Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
}
}
根据传入的map进行初始化。
三、关键方法
1）put
Java代码
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);//单独处理，总是放到table[0]中
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。
int i = indexFor(hash, table.length);//将hash和length-1取&来得到数组的下表
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}//如果这个key值，原来已经则替换后直接返回。
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
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。
if (size++ >= threshold)//如果大于了阀值，则扩容到原来大小的2倍。
resize(2 * table.length);
}
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
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。
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
2）get方法
Java代码
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];//找到数组的下表，进行遍历
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;//找到则返回
}
return null;//否则，返回null
}
3)remove方法
Java代码
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {//Entry链未遍历完则一直遍历
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)//如果是第一个，则将table[i]执行e.next
table[i] = next;
else //否则将前一个的next指向e.next
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;//未找到则继续往后遍历
e = next;
}
return e;
}
4)HashMap的遍历方法
Java代码
Map map = new HashMap();
map.put("key1","value1");
map.put("key2","value2");
map.put("key3", "value3");
for(Iterator it = map.entrySet().iterator();it.hasNext();){
Map.Entry e = (Map.Entry)it.next();
System.out.println(e.getKey() + "=" + e.getValue());
}
System.out.println("-----------------------------------------");
for(Iterator it = map.keySet().iterator();it.hasNext();){
Object key = it.next();
Object value = map.get(key);
System.out.println(key+"="+value);
}
System.out.println("-----------------------------------------");
System.out.println(map.values());
输出为：
key3=value3
key2=value2
key1=value1
-----------------------------------------
key3=value3
key2=value2
key1=value1
-----------------------------------------
[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
public V put(K key, V value) {
...
int hash = hash(key.hashCode());
...
}
static int hash(int h) {
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
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
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
ntry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
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
if (key == null)
return putForNullKey(value);
Hashtable的put方法，代码片段：
Java代码
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
Entry tab[] = table;
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