一篇文章徹底讀懂HashMap之HashMap原始碼解析(下)
put函式原始碼解析
//put函式入口,兩個引數：key和value public V put(K key, V value) { /*下面分析這個函式，注意前3個引數，後面 2個引數這裡不太重要，因為所有的put 操作後面的2個引數預設值都一樣 */ return putVal(hash(key), key, value, false, true); } //下面是put函式的核心處理函式 final V putVal(int hash, K key, V value , boolean onlyIfAbsent ，boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; /*上面提到過HashMap是懶載入，所有 put的時候要先檢查table陣列是否已經 初始化了，沒有初始化得先初始化table 陣列，保證table陣列一定初始化了 */ if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //這個函式後面有resize函式分析 n = (tab = resize()).length; /*到這裡表示table陣列一定初始化了 與上面get函式相同，指定key的Node， 會儲存在在table陣列的i=(n-1)&hash 下標位置，get的時候也是從table陣列 的該位置搜尋 */ if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) /*如果i位置還沒有儲存元素，則把 當前的key，value封裝為Node， 儲存在table[i]位置 */ tab[i] = newNode(hash, key , value, null); else { //下面部分程式碼接上這部分 }
接上面else部分：
/* 如果table[i]位置已經有元素了， 則接下來的流程是： 首先判斷連結串列或者二叉樹中是否 已經存在key的鍵值對? 存在的話就更新它的value；不存在 的話把當前的key，value插入到 連結串列的末尾或者插入到紅黑樹中 如果連結串列或者紅黑樹中已經存在 Node.key等於key，則e指向該Node， 即e指向一個Node：該Node的key屬性 與put時傳入的key引數相等的那個Node， 後面會更新e.value */ Node<K,V> e; K k; /* 為什麼get和put先判斷p.hash==hash, 下面的if條件中去掉hash的比較邏輯 也是正確？因為hash的比較是兩個整數 的比較，比較的代價相對較小，key是泛型， 物件的比較比整數比較代價大，所以先比較 hash，hash相等再比較key */ if(p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) /* e指向一個Node：該Node的key 屬性與put時傳入的key引數相等 的那個Node */ e = p; else if (p instanceof TreeNode) /* 紅黑樹的插入操作，如果已經存在 該key的TreeNode，則返回該 TreeNode，否則返回null */ e = ((TreeNode<K,V>)p) .putTreeVal(this , tab, hash, key, value); else { /* table[i]處存放的是連結串列，接下來和 TreeNode類似在遍歷連結串列過程中先判斷 當前的key是否已經存在，如果存在則令 e指向該Node；否則將該Node插入到鏈 表末尾，插入後判斷連結串列長度是否>=8， 是的話要進行額外操作 */ //binCountt最後的值是連結串列的長度 for (int binCount = 0; ;++binCount) { if ((e = p.next) == null) { /* 遍歷到了連結串列最後一個元素,接下來 執行連結串列的插入操作，先封裝為Node, 再插入p指向的是連結串列最後一個節點， 將待插入的Node置為p.next， 就完成了單鏈表的插入 */ p.next = newNode(hash, key , value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) /* TREEIFY_THRESHOLD值是8, binCount>=7,然後又插入了一個新節 點，連結串列長度>=8，這時要麼進行擴容 操作，要麼把連結串列結構轉為紅黑樹結構。 我們接下會分析treeifyBin的原始碼實現 */ treeifyBin(tab, hash); break; } /* 當p不是指向連結串列末尾的時候：先判斷 p.key是否等於key，等於的話表示 當前key已經存在了，令e指向p， 停止遍歷，最後會更新e的value; 不等的話準備下次遍歷， 令p=p.next，即p=e。 */ if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } if (e != null) { /* 表示當前的key在put之前已經 存在了，並且上面的邏輯保證: e已經指向了之前已經存在 的Node，這時更新 e.value就好。 */ //更新oldvalue V oldValue = e.value; /* onlyIfAbsent默是false， evict為true。 onlyIfAbsent為true表示： 如果之前已經存在key這個鍵值對了， 那麼後面再put這個key時，忽略這個 操作，不更新先前的value。 這裡瞭解就好 */ if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //更新e.value e.value = value; /* 這個函式的預設實現是“空”， 即這個函式預設什麼操作都 不執行，那為什麼要有它呢？ 這其實是個hook/鉤子函式， 主要要在LinkedHashMap （HashMap子類）中使用， LinkedHashMap重寫了這 個函式。以後會有講解 LinkedHashMap的文章。 */ afterNodeAccess(e); //返回舊的value return oldValue; } } //如果是第一次插入key這個鍵， //就會執行到這裡 ++modCount;//failFast機制 /* size儲存的是當前HashMap中儲存 了多少個鍵值對，HashMap的size 方法就是直接返回size之前說過， threshold儲存的是當前table數 組長度*loadfactor，如果table 陣列中儲存的Node數量大於 threshold，這時候會進行擴容， 即將table陣列的容量翻倍。 後面會詳細講解resize方法。 */ if (++size > threshold) resize(); //這也是一個hook函式，作用和 //afterNodeAccess一樣 afterNodeInsertion(evict); return null; }
（11）treeifyBin原始碼解析
//將連結串列轉換為紅黑樹結構，在連結串列的 //插入操作後呼叫 final void treeifyBin (Node<K,V>[] tab , int hash) { int n, index; Node<K,V> e; /*MIN_TREEIFY_CAPACITY值 是64,也就是當連結串列長度>8的 時候，有兩種情況：如果table 陣列的長度<64,此時進行擴容 操作;如果table陣列的長度>64， 此時進行連結串列轉紅黑樹結構的操作. 具體轉細節在面試中幾乎沒有問的， 這裡不細講了，大部同學認為連結串列長度 >8一定會轉換成紅黑樹，這是不對的！ */ if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) resize(); else if ((e=tab[index=(n-1) & hash]) != null) { TreeNode<K,V> hd = null, tl = null; do { TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e , null); if (tl == null) hd = p; else { p.prev = tl; tl.next = p; } tl = p; } while ((e = e.next) != null); if ((tab[index] = hd) != null) hd.treeify(tab); } }
HashMap的resize函式原始碼分析
重點中的重點，面試談到HashMap必考resize相關知識，整體思路介紹：
有兩種情況會呼叫當前函式：
1.之前說過HashMap是懶載入，第一次hHashMap的put方法的時候table還沒初始化，這個時候會執行resize，進行table陣列的初始化，table陣列的初始容量儲存在threshold中（如果從構造器中傳入的一個初始容量的話），如果建立HashMap的時候沒有指定容量，那麼table陣列的初始容量是預設值：16。即，初始化table陣列的時候會執行resize函式
2.擴容的時候會執行resize函式，當size的值>threshold的時候會觸發擴容，即執行resize方法，這時table陣列的大小會翻倍。
注意我們每次擴容之後容量都是翻倍（ *2），所以HashMap的容量一定是2的整數次冪，那麼HashMap的容量為什麼一定得是2的整數次冪呢？（面試重點）。
要知道原因，首先回顧我們put key的時候，每一個key會對應到一個桶裡面，桶的索引是這樣計算的： index = hash & (n-1)，index的計算最為直觀的想法是：hash%n，即通過取餘的方式把當前的key、value鍵值對雜湊到各個桶中；那麼這裡為什麼不用取餘(%)的方式呢？
原因是CPU對位運算支援較好，即位運算速度很快。另外,當n是2的整數次冪時：hash&(n-1)與hash%(n-1)是等價的，但是兩者效率來講是不同的，位運算的效率遠高於%運算。
基於上面的原因，HashMap中使用的是hash&(n-1)。這還帶來了一個好處，就是將舊陣列中的Node遷移到擴容後的新陣列中的時候有一個很方便的特性：
HashMap使用table陣列儲存Node節點，所以table陣列擴容的時候（陣列擴容一定得是先重新開闢一個數組，然後把就陣列中的元素重新雜湊（rehash）到新陣列中去。
這裡舉一個例子來來說明這個特性：下面以Hash初始容量n=16，預設loadfactor=0.75舉例（其他2的整數次冪的容量也是類似的），預設容量：n=16，二進位制：10000；n-1：15，n-1二進位制：01111。某個時刻，map中元素大於16*0.75=12，即size>12。此時會發生擴容，即會新建了一個數組，容量為擴容前的兩倍，newtab，len=32。
接下來我們需要把table中的Node搬移(rehash)到newtab。從table的i=0位置開始處理,假設我們當前要處理table陣列i索引位置的node，那這個node應該放在newtab的那個位置呢？下面的hash表示node.key對應的hash值，也就等於node.hash屬性值,另外為了簡單，下面的hash只寫出了8位（省略的高位的0），實際上hash是32位：node在newtab中的索引：
index = hash % len=hash & (len-1)
=hash & (32 - 1)=hash & 31
=hash & (0x0001_1111)；
再看node在table陣列中的索引計算：
i = hash & (16 - 1) = hash & 15
= hash & (0x0000_1111)。
注意觀察兩者的異同：
i = hash&(0x0000_1111);
index = hash&(0x0001_1111)
上面表示式有個特點：
index = hash & (0x0001_1111)
= hash & (0x0000_1111)
| hash & (0x0001_0000)
= hash & (0x0000_1111) | hash & n)
= i + ( hash & n)
什麼意思呢：
hash&n要麼等於n要麼等於0;也就是：inde要麼等於i，要麼等於i+n;再具體一點：當hash&n==0的時候，index=i;
當hash&n==n的時候，index=i+n;這有什麼用呢？當我們把table[i]位置的所有Node遷移到newtab中去的時候：
這裡面的node要麼在newtab的i位置（不變），要麼在newtab的i+n位置；也就是我們可以這樣處理：把table[i]這個桶中的node拆分為兩個連結串列l1和類：如果hash&n==0，那麼當前這個node被連線到l1連結串列；否則連線到l2連結串列。這樣下來，當遍歷完table[i]處的所有node的時候，我們得到兩個連結串列l1和l2，這時我們令newtab[i]=l1,newtab[i+n]=l2,這就完成了table[i]位置所有node的遷移/rehash，這也是HashMap中容量一定的是2的整數次冪帶來的方便之處。
下面的resize的邏輯就是上面講的那樣。將table[i]處的Node拆分為兩個連結串列，這兩個連結串列再放到newtab[i]和newtab[i+n]位置.
（12）resize方法原始碼解析
final Node<K,V>[] resize() {
//保留擴容前陣列引用
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;
}
//正常擴容：newCap = oldCap << 1
else if ((newCap = oldCap << 1)
< MAXIMUM_CAPACITY
&& oldCap
>= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//容量翻倍，擴容後的threshold
//自然也是*2
newThr = oldThr << 1;
}
else if (oldThr > 0)
// initial capacity was placed
//in threshold
newCap = oldThr;
else {
// zero initial threshold
//signifies using defaults
//table陣列初始化的時候會進入到這裡
//預設容量
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
//threshold
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;//更新threshold
@SuppressWarnings({"rawtypes"
,"unchecked"})
//擴容後的新陣列
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])
new Node[newCap];
table = newTab;//執行容量翻倍的新陣列
if (oldTab != null) {
//之後完成oldTab中Node遷移到table中去
//見下面
}
}
}
return newTab;
}
}
//之後完成oldTab中Node遷移到table中去
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
/*j這個桶位置只有一個元素，直接
rehash到table陣列 */
newTab[e.hash
& (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
/*如果是紅黑樹：也是將紅黑樹拆分為
兩個連結串列，這裡主要看連結串列的拆分，
兩者邏輯一樣*/
((TreeNode<K,V>)e).split(
this, newTab, j, oldCap);
else {
//連結串列的拆分
//第一個連結串列l1
Node<K,V> loHead = null
, loTail = null;
//第二個連結串列l2
Node<K,V> hiHead = null
, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap)
== 0) {
/*rehash到table[j]位置
將當前node連線到l1上 */
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
//將當前node連線到l2上
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
//l1放到table[j]位置
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
//l1放到table[j+oldCap]位置
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
HashMap面試“明星”問題彙總，及答案
你知道HashMap嗎，請你講講HashMap？
這個問題不單單考察你對HashMap的掌握程度，也考察你的表達、組織問題的能力。個人認為應該從以下幾個角度入手（所有常見HashMap的考點問題總結）：
size必須是2的整數次方原因
get和put方法流程
resize方法
影響HashMap的效能因素（key的hashCode函式實現、loadFactor、初始容量）
HashMap key的hash值計算方法以及原因（見上面hash函式的分析）
HashMap內部儲存結構：Node陣列+連結串列或紅黑樹
table[i]位置的連結串列什麼時候會轉變成紅黑樹（上面原始碼中有講）
HashMap主要成員屬性：threshold、loadFactor、HashMap的懶載入
HashMap的get方法能否判斷某個元素是否在map中
HashMap執行緒安全嗎，哪些環節最有可能出問題，為什麼？
HashMap的value允許為null，但是HashTable和ConcurrentHashMap的valued都不允許為null，試分析原因？
HashMap中的hook函式（在後面講解LinkedHashMap時會講到，這也是面試時拓展的一個點）
上面問題的答案都可以在上面的原始碼分析中找到，下面在給三點補充：
HashMap的初始容量是怎樣影響HashMap的效能的？
假如你預先知道最多往HashMap中儲存64個元素，那麼你在建立HashMap的時候：如果選用無參構造器：預設容量16，在儲存16loadFactor個元素之後就要進行擴容（陣列擴容涉及到連續空間的分配，Node節點的rehash，代價很高，所以要儘量避免擴容操作）；如果給構造器傳入的引數是64，這時HashMap中在儲存64loadFactor個元素之後就要進行擴容；但是如果你給構造器傳的引數為：(int)(64/0.75)+1，此時就可以保證HashMap不用進行擴容，避免了擴容時的代價。
HashMap執行緒安全嗎，哪些環節最有可能出問題，為什麼？
我們都知道HashMap執行緒不安全，那麼哪些環節最優可能出問題呢，及其原因：沒有參照這個問題有點不好直接回答，但是我們可以找參照啊，參照：ConcurrentHashMap，因為大家都知道HashMap不是執行緒安全的，ConcurrentHashMap是執行緒安全的，對照ConcurrentHashMap，看看ConcurrentHashMap在HashMap的基礎之上增加了哪些安全措施，這個問題就迎刃而解了。後面會有分析ConcurrentHashMap的文章，這裡先簡要回答這個問題：HashMap的put操作是不安全的，因為沒有使用任何鎖；HashMap在多執行緒下最大的安全隱患發生在擴容的時候，想想一個場合：HashMap使用預設容量16，這時100個執行緒同時往HashMap中put元素，會發生什麼？擴容混亂，因為擴容也沒有任何鎖來保證併發安全，另外,後面的博文會講到ConcurrentHashMap的併發擴容操作是ConcurrentHashMap的一個核心方法。
HashMap的value允許為null，但是HashTable和ConcurrentHashMap的value 都不允許為null，試分析原因？
首先要明確ConcurrentHashMap和Hashtable從技術從技術層面講是可以允許value為null；但是它是實際是不允許的，這肯定是為了解決一些問題，為了說明這個問題，我們看下面這個例子（這裡以ConcurrentHashMap為例，HashTable也是類似）。
HashMap由於允value為null，get方法返回null時有可能是map中沒有對應的key；也有可能是該key對應的value為null。所以get不能判斷map中是否包含某個key，只能使用contains判斷是否包含某個key。
看下面的程式碼段，要求完成這個一個功能：如果map中包含了某個key則返回對應的value，否則丟擲異常：
if (map.containsKey(k)) {
return map.get(k);
} else {
throw new KeyNotPresentException();
}
如果上面的map為HashMap，那麼沒什麼問題，因為HashMap本來就是執行緒不安全的，如果有併發問題應該用ConcurrentHashMap，所以在單執行緒下面可以返回正確的結果
如果上面的map為ConcurrentHashMap，此時存在併發問題：在map.containsKey(k)和map.get之間有可能其他執行緒把這個key刪除了，這時候map.get就會返回null，而ConcurrentHashMap中不允許value為null，也就是這時候返回了null，一個根本不允許出現的值？
但是因為ConcurrentHashMap不允許value為null，所以可以通過map.get(key)是否為null來判斷該map中是否包含該key，這時就沒有上面的併發問題了。