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菜鳥看原始碼之HashMap

阿新 • • 發佈：2019-02-13

先扯點別的：聽說拳皇97界的大魔王老K退役了，不知道以後還能不能見到那麼犀利的大門。最近感覺自己的拳皇水平有點提升，應該能排到100多線的水平吧。

今天記錄一下看HashMap原始碼的過程，感覺HashMap的原始碼要比ArrayList難一點。所以只看主要流程，不可能每一行程式碼都搞懂什麼意思。

先看一下HashMap的繼承結構圖
這裡寫圖片描述
HashMap：它根據鍵的hashCode值儲存資料，大多數情況下可以直接定位到它的值，因而具有很快的訪問速度，但遍歷順序卻是不確定的。 HashMap最多隻允許一條記錄的鍵為null，允許多條記錄的值為null。HashMap非執行緒安全，即任一時刻可以有多個執行緒同時寫HashMap，可能會導致資料的不一致。如果需要滿足執行緒安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有執行緒安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap。

HashMap 的儲存結構:陣列+連結串列+紅黑樹（JDK1.8增加了紅黑樹部分）實現的，如下如所示。

這裡寫圖片描述

HashMap的部分成員變數

//序列化id
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

//預設初始容量16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

//預設的負載因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

//樹化連結串列節點的閾值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

//儲存資料的Node陣列，長度必須是2的冪。  
transient Node<K,V>[] table;

//entrySet
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

//table中Node的數量
transient int size;

//hashmap 物件被結構化修改的次數  
transient int modCount;  

//負載因子
 final float loadFactor;

// 所能容納的key-value對極限 ,容量乘以負載因子所得結果，如果key-value的 數量等於該值，則呼叫resize方法，擴大容量，同時修改threshold的值。  
int threshold;  


static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

Node 節點的資料結構：是一個單鏈表

 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> 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;
        }
    }

使用HashMap的時候通常會使用無參建構函式來例項化一個HashMap。


    /**
     *使用預設的初始容量（16）構造一個空的HashMap,預設的負載因子是（0.75）
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 其他的成員變數使用預設值
    }

例項化HashMap的時候也可以指定初始容量（initialCapacity）和負載因子（loadFactor）*

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

只指定初始容量的建構函式會在內部呼叫兩個引數的建構函式，如下所示。

	 /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
     * capacity and load factor.
     *使用指定的初始化容量和負載因子構造一個空的HashMap
     */
    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);
        //給負載因子賦值為指定的大小                                       
        this.loadFactor = loadFactor;
        //呼叫tableSizeFor方法為threshold 賦值
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

tableSizeFor(int cap)方法會返回一個大於或者等於cap的一個值，並且這個值必須是2的冪，比如32,64,等等。

通過上面的建構函式看出，內部就是為了給loadFactor和threshold賦值的，這個時候儲存資料的Node<K,V>[] table還是空的。

HashMap確定雜湊桶陣列索引位置的方法
這裡的Hash演算法就是三步：取key的hashCode值、高位運算、位與運算。

//取key的hashCode值、高位運算
static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

//位與運算，n為table的長度
(n - 1) & hash

HashMap hash演算法示例圖

然後就是HashMap的put(K key, V value)方法

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

把一個鍵值對key-newValue 放入到map中，如果這個map中已經包含一個鍵值對key-oldValue那麼oldValue會被newValue替換，返回oldValue。如果不存在舊的鍵值對，就直接把key-newValue 放入到map中，返回null。內部通過putVal實現。

	 /**
     *
     * @param hash 鍵的hash值
     * @param key 鍵
     * @param value 要放入的value值
     * @param onlyIfAbsent 如果為true，不改變已存在的value。
     * @param evict 如果為false，table處在建立模式
     * @return 鍵對應的舊的值，如果沒有，返回null。
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> p; 
        int n;
        int i;
        //第一步：判斷如果table為null或者table的長度為空就先初始化table
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
	        //初始化table
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        //如果i=((n - 1) & hash)位置上沒有元素，即p為null，就直接把元素放入tab[i]的位置上
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
	        //如果p不為null
            Node<K,V> e; K k;
            //如果p的key的雜湊值hash值同時p的key值和key值相等，這時候put方法就會更新p元素的value。
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
	            //如果p是一個TreeNode，就把要put的元素加入到樹中
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
            //如果p不是一個TreeNode，說明tab[i]位置上的元素是存放在連結串列裡面的，
            //就把要put的元素加入到連結串列尾部，或者更新連結串列中某個位置上的元素的value
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
	                    //把要put的元素加入到連結串列尾部
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                      //tab[i]位置上的連結串列中的元素個數超過TREEIFY_THRESHOLD 
                      //就通過treeifyBin方法把tab[i]位置上的連結串列變成一顆紅黑樹，或者增加tab的容量
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //或者更新連結串列中某個位置上的元素的value
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //這裡是真正更新value的地方。
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
	                //新值替換舊值
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                //返回舊的值
                return oldValue;
            }
        }
        //如果是新加入了一個元素，而不是更新了某個舊值，就把修改次數加1
        ++modCount;
        //table的size加1如果超出了容量，就把table的長度變為原來的兩倍
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

整理一下putVal方法的邏輯。

  1. 首先判斷table是不是為空，或者table的長度是不是為0。如果滿足其中一個條件就呼叫resize()方法來初始化table。
  2. 計算出雜湊桶陣列索引位置(i = (n - 1) & hash])。如果i位置上沒有元素即p為null，就直接把待放入元素放入 i 位置上。
  3. 如果 i 位置上的元素p不為null，就判斷hash是否等於p的雜湊值，key值和p的key值是否相等，如果相等，那說明這個放入操作只要用value值替換p元素的value值即可，返回被替換的value值。
  4. 如果條件3不滿足，就判斷p元素是否是一個TreeNode，如果是的話，說明當前 i 位置上是一個紅黑樹，那就從樹中查詢，如果在樹中找到有一個元素 q , 如果q的key的hash值等於hash，同時 q 的key值等於key，那就用value更新 q 的value。否則就把待放入元素放入樹中。
  5. 如果條件 4 不滿足，說明說明當前 i 位置上是一個連結串列，就遍歷這個連結串列，如果在連結串列中發現有一個元素 q 的key的雜湊值等於hash，同時 q 的鍵值等於key，就更新 q 的value。否則就把待放入的元素插入到連結串列尾部。插入完成後，檢測當前連結串列的長度是否超過了TREEIFY_THRESHOLD，如果超過了，就把連結串列轉化成一個紅黑樹。

上面提到的resize()方法做了兩件事

  1. 若果table為null，或者table的lenth為0，就初始化table。初始化容量大小為16，threshold為12.。
  2. 如果table不為null，就把table的長度增加兩倍，原來table中的元素要麼待在原來的位置上，要麼會移動到原來的位置index加上2的幾次冪的位置上。
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) {
        // 超過最大值就不再擴充了，就只好隨你碰撞去吧
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // 沒超過最大值，就擴充為原來的2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
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        // 計算新的resize上限
        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) {
        // 把每個bucket都移動到新的buckets中
            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 { // 保持連結串列的順序不變
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            //這時候oldCap是原來table的length，不是(length-1)了
                            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;
    }

上面提到的treeifyBin方法

如果table的size太小就呼叫resize方法增加table的容量，否則就把連結串列變成一顆紅黑樹。至於怎麼變的先不管。

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        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putAll方法，把一個集合裡面的所有鍵值對，都放入當前的HashMap中，內部通過putMapEntries實現。

 public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        putMapEntries(m, true);
    }

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> 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<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }

首先判斷，如果當前hashMap的table為null，就先初始化threshold。如果table不為null，如果要加入的map的size大於當前hashMap的table的最大容量threshold，就呼叫resize()方法增加table的長度。最後迴圈遍歷通過putVal方法把map中的每個鍵值對都放入當前hashMap的table中。

HashMap get方法，返回key對應的value，如果不存在對應的value，返回null;內部通過getNode實現。

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        //返回節點的value值或者null;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

 /**
     *
     * @param hash 鍵的雜湊值
     * @param key 鍵
     * @return 返回找到的節點或者null。
     */
    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab;
        Node<K,V> first, e;
        int n; 
        K k; 
        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))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

首先根據hash值找出對應儲存位置上的節點first ，如果first就是要找的節點就返回first。否則如果對應儲存節點上是紅黑樹，就從紅黑樹裡面找，是連結串列，就從連結串列中查詢，找到就返回相應的Node，找不到返回null；

HashMapde 的containsKey方法，內部通過getNode方法實現，如果table中存在key-value對，返回true，否則返回false。

public boolean containsKey(Object key) {
        return getNode(hash(key), key) != null;
    }

HashMap的containsValue方法，內部遍歷整個table，查詢是否有元素的value值和要查詢的value值相等，存在返回true，否則返回false。

public boolean containsValue(Object value) {
        Node<K,V>[] tab; V v;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
                    if ((v = e.value) == value ||
                        (value != null && value.equals(v)))
                        return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }

HashMap的remove方法，內部通過removeNode實現，如果成功刪除了鍵值對，返回被刪除的value，否則返回null；

public V remove(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
    }

 final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
            //如果hash對應的位置上的元素p就是要刪除的節點
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
            //如果hash值對應的位置上儲存的是一個紅黑樹，就從樹裡查詢
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                //如果hash值對應的位置上儲存的是連結串列，就遍歷連結串列查詢。
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            //如果node存在就刪除
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                 (value != null && value.equals(v)))) {
                if (node instanceof TreeNode)
	                //node是一個紅黑樹中的節點，刪除樹中的節點
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                //如果node就是p節點，意思就是tab[index]位置上就是要刪除的node，那麼就把node的nexet節點賦值給tab[index]。
                    tab[index] = node.next;
                else
                //要刪除的節點node是連結串列中的某個節點，就讓node的上一個節點p指向node的next，即可完成刪除
                    p.next = node.next;
                 //修改次數加1
                ++modCount;
                //table中的鍵值對的數量減1
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                //返回刪除的node
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

HashMap的兩個replace方法，就是根據key值找到相應的節點，更新節點的value，更新成功返回true。如果找不到key對應的節點，返回false。

  public V replace(K key, V value) {
        Node<K,V> e;
        if ((e = getNode(hash(key), key)) != null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
        return null;
    }

  @Override
    public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
        Node<K,V> e; V v;
        if ((e = getNode(hash(key), key)) != null &&
            ((v = e.value) == oldValue || (v != null && v.equals(oldValue)))) {
            e.value = newValue;
            afterNodeAccess(e);
            return true;
        }
        return false;
    }

HashMap的clear方法，把table的每一項都置為null。增加修改次數，size置為0。

public void clear() {
        Node<K,V>[] tab;
        //修改次數加1
        modCount++;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            size = 0;
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
                tab[i] = null;
        }
    }

小結：
(1) 擴容是一個特別耗效能的操作，所以當程式設計師在使用HashMap的時候，估算map的大小，初始化的時候給一個大致的數值，避免map進行頻繁的擴容。

(2) 負載因子是可以修改的，也可以大於1，但是建議不要輕易修改，除非情況非常特殊。

(3) HashMap是執行緒不安全的，不要在併發的環境中同時操作HashMap，建議使用ConcurrentHashMap。

(4) JDK1.8引入紅黑樹大程度優化了HashMap的效能。

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