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一、顶部注释分析

1.1 数据结构

HashMap

• HashMap的数据结构是 数组+链表+红黑树 (JDK1.8)
• 数组中的每一个节点可称为是桶。当向 HashMap 中添加一个键值对时，首先计算键值对中key的hash值，以此确定数组中对应的桶，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在该桶中，这种现象称为 hash碰撞
• 这时按照尾插法 (JDK1.8，JDK1.7及以前为头插法) 的方式把键值对添加到同一个桶的后面，从而形成链表
• 当链表长度超过8 (TREEIFY_THRESHOLD)时，链表就转换为 红黑树

1.2 从注释中得到的结论

• 底层：HashMap 是 Map 接口基于哈希表的实现。
• 是否允许null：key 和 value 都允许为 null
• 是否有序：不保证映射的顺序，特别是它不保证顺序恒久不变
• 何时rehash：超出当前允许的最大容量。initial capacity * load factor 就是当前允许的最大元素数目，超过该值之后就会进行 rehash 操作来进行扩容，扩容后的的容量为之前的两倍
• 初始化容量对性能的影响：设置太小或太大都不好：小了虽然节省空间但会频繁 rehash 增加时间开销；大了增加空间开销同时影响遍历效率
• 加载因子对性能的影响：同理设置太小或太大都不好：小了会频繁 rehash 增加时间开销；大了会影响遍历效率也增加时间开销，0.75是个折中的选择
• 是否同步：HashMap不是同步的，即非线程安全，可以使用 Collections.synchronizedMap 进行同步
• 迭代器：返回的迭代器是 fail-fast 的
• 与 Hashtable 的区别：HashMap 除了是非同步和允许 null 值外，和 Hashtable 大致相同 （The HashMap class is roughly equivalent to Hashtable, except that it is unsynchronized and permits nulls）

二、源码分析

2.1 定义

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> 
        implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

• HashMap<K,V>：HashMap 是以 key-value 形式存储数据的
• extends AbstractMap<K,V>：继承自 AbstractMap，大大减少了实现 Map 接口时需要的工作量
• implements Map<K,V>：实现了Map接口，提供了所有可选的 Map 操作
• implements Cloneable：可以调用 clone() 方法来返回实例的 field-for-field 拷贝
• implements Serializable：可以序列化

2.2 字段

// 默认初始化容量，值为16
// 该值必须是2的n次幂
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

// 最大容量, 如果一个更大的初始化容量在构造函数中被指定，将被MAXIMUM_CAPACITY替换
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

// 默认加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 当添加一个元素被添加到有至少TREEIFY_THRESHOLD个节点的桶中，桶中的链表将被转化为树形结构
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

// 当桶中的节点数小于等于该值，把树结构恢复成链式结构
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

// 当哈希表的大小超过这个阈值，才会把链式结构转化成树型结构，否则仅采取扩容方式
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

// 存储键值对的数组
transient Node<K,V>[] table;

// 维护entrySet()的缓存
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

// 键值对实际个数
transient int size;

// 扩容的临界值，可通过 capacity * load factor 计算得到
int threshold;

// 加载因子
final float loadFactor;

2.3 Node静态内部类

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>
{
    // hash值，键值对以及指向下个键值对的指针，形成链表
    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;
    }
}

2.4 构造方法

1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：使用指定的初始化容量和加载因子构造一个空 HashMap
2. public HashMap(int initialCapacity)：使用指定的初始化容量和默认加载因子 (0.75) 构造一个空 HashMap
3. public HashMap()：使用默认的初始化容量 (16) 和加载因子 (0.75) 构造一个空 HashMap
4. public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)：使用指定 Map 构造新的HashMap。初始化容量和加载因子均为默认值

2.5 threshold 赋值

• 在构造方法中 threshold 的初始化为：this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
• tableSizeFor 方法的作用：返回一个大于等于输入值且为2的整数次幂的数。如输入10，返回16
• 此处只是给 threshold 一个初始化值，在后续使用中会重新赋值为 capacity * load factor

// 返回一个大于等于输入值且为2的整数次幂的数
static final int tableSizeFor(int cap) 
{
    // 减1操作使得该方法可以得到等于原值的数，主要是针对原先就是2的整数次幂的数
    // 例如8在不减1的情况下会返回16，减1后会返回8
    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;
}

2.6 hash值计算

2.6.1 计算方式

• 在 HashMap 中，经常需要计算 key 的 hash 值来定位具体的桶
• 定位方式为：table[(n-1) & hash]，其中 n 为容量，hash 为 key 的哈希值
• hash值的计算方式如下，可分为两个步骤：
  1. 取 key 的 hashCode，调用了Object类的 hashCode 方法，这是一个 native 方法；
  2. 将 hashCode 的高16位和低16位做异或运算；

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

hash运算

2.6.2 计算原理

• 这里有一个问题，即为什么要对 key 的hashCode 做异或运算？
• 原因在于：
  1. 上述提到在定位时是通过 (n-1) & hash 的方式；
  2. 若 n 很小，如初始值16，则显然做 & 操作时只有后4位有效；
  3. 因此如果当哈希值的高位变化很大，低位变化很小，这样很容易造成碰撞；
  4. 因此设计者将哈希值的高低位也参与到计算中，增加了随机性，减少了碰撞冲突的可能性

2.7 resize 扩容

• 向HashMap对象里不停的添加元素，当其内部数组无法装载更多的元素时，就需要进行扩容；
• 数组是无法自动扩容的，扩容方法是使用一个新数组代替已有数组；
• resize 方法非常巧妙：因为每次扩容都是翻倍，与原来位置(n-1) & hash 的结果相比，节点要么就在原来的位置，要么就被分配到 “原位置+旧容量” 这个位置
• 大致步骤如下：
  1. 如果旧容量已经超过最大阈值，则无法继续扩容，返回旧 HashMap；
  2. 否则将容量阈值加倍，即 newThr = oldThr << 1；
  3. 根据新容量阈值新建数组，将 HashMap 的 table 引用指向新数组；
  4. 将旧 HashMap 的元素复制到新HashMap中，需要根据结构为树还是链表选取不同的方法；
  5. 最后返回新 HashMap

final Node<K,V>[] resize()

2.8 put 操作

2.8.1 put 方法

• put 添加元素分三个步骤：
  1. 通过 hash(Object key)方法计算 key 的哈希值
  2. 通过 putVal(hash(key), key, value, false, true) 方法实现功能
  3. 返回 putVal 方法返回的结果

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

2.8.2 putVal 方法

// onlyIfAbsent为true时，会替换已经存在的值
// evict为false时, the table is in creation mode
// 由于最后是返回当前key的旧值，因此中间需要保存key所对应的节点
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)

执行步骤如下：

1. 如果哈希表为空，调用 resize() 创建一个哈希表；
2. 如果指定 key 值没有发生碰撞，直接加入哈希表即可；
3. 如果有碰撞，先找到 key 对应的桶：
   • 如果桶中的第一个节点就匹配了，则将其记录下来；
   • 如果桶中的第一个节点没有匹配，且桶中结构为红黑树，则调用红黑树对应的方法插入键值对；
   • 如果桶中结构为链表链表，则遍历：
     • 如果找到了key映射的节点，就记录这个节点并退出；
     • 如果没有找到，在链表尾部插入节点
     • 插入后，如果链的长度大于TREEIFY_THRESHOLD这个临界值，则把链表转为红黑树
4. 若找到了 key 所对应的节点，即该 key 本身就存在：
   • 记录节点的 value；
   • 如果参数 onlyIfAbsent 为false，或者 oldValue 为null，替换value，否则不替换；
   • 返回记录的 value；
5. 如果没有找到 key 对应的节点，即该 key 本身不存在：
   • 那么插入节点后 size 会加1，同时检查size是否大于临界值threshold，如果大于需要使用 resize 方法进行扩容，最后返回 null

2.9 get 操作

2.9.1 get 方法

• get 获取元素分三个步骤：
  1. 通过 hash(Object key)方法计算 key 的哈希值 hash；
  2. 通过 getNode(int hash, Object key) 方法获取node；
  3. 如果 node 为 null，返回null，否则返回 node.value

public V get(Object key) 
{
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

2.9.2 getNode 方法

// 该方法根据key的hash值和具体key值获取对应节点
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key)

执行步骤如下：

1. 如果哈希表为空，或key对应的桶为空，直接返回null；
2. 如果桶中的第一个节点就和指定参数hash和key匹配，直接返回这个节点；
3. 如果桶中的第一个节点没有匹配上，而且有后续节点：
   • 如果当前的桶结构为红黑树，则调用红黑树的 getTreeNode 方法去获取节点；
   • 如果当前的桶结构为链表，则遍历直到 key 匹配或遍历结束；
4. 最终找到节点则返回，否则返回null

2.10 remove 操作

2.10.1 remove方法

• remove 删除元素分三个步骤：
  1. 通过 hash(Object key) 方法计算key的哈希值；
  2. 通过 removeNode 方法实现功能；
  3. 返回被删除的 node 的 value

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

2.10.2 removeNode方法

// mathValue为true时，则必须value也相等才会删除
// movable为false时，删除该节点不会移动其他节点，主要针对红黑树结构
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value, boolean matchValue, boolean movable) 

执行步骤如下：

1. 如果数组 table 为空或 key 映射到的桶为空，返回null；
2. 如果桶中的第一个节点就和指定参数hash和key匹配，记录这个节点；
3. 如果桶中的第一个节点没有匹配上，而且有后续节点：
   • 如果当前的桶结构为红黑树，则调用红黑树的 getTreeNode 方法去获取节点；
   • 如果当前的桶结构为链表，则遍历直到 key 匹配或遍历结束；
4. 如果被记录下来的node不为null，且value也匹配：
   • 根据桶结构调用对应方法删除节点；
   • size减1，返回被删除的节点

2.11 entrySet 说明

• 在针对 HashMap 遍历时会调用 map.entrySet() 方法来获取一个集合视图，再进行后续操作

// 返回HashMap中所有键值对的set视图
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() 
{
    Set<Map.Entry<K,V>> es;
    return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
}

• 其中的 entrySet 实际上为 HashMap 的属性，但在 put() 操作时并没有对 entrySet 进行修改，那么它是如何变化的？
• 实际上利用了 entrySet = new EntrySet() 这一操作，其中 EntrySet 是 HashMap 中的内部类，其中有一个关键方法 forEach
• 从代码中可以看出：
  1. 在进行 foreach 遍历 EntrySet 的时候，实际上是遍历 table，即 HashMap 中存储实际数据的数组；
  2. 这也进一步验证了 entrySet() 方法返回的是一个集合视图：视图的概念类似于数据库，即视图没有具体的数据，真正获取数据时还是从 table 中得到

final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> 
{
    public final void forEach(Consumer<? super Map.Entry<K,V>> action) 
    {
        Node<K,V>[] tab;
        if (action == null)
            throw new NullPointerException();
        if (size > 0 && (tab = table) != null) 
        {
            int mc = modCount;
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i) // 实际上是在遍历table数组 
            {
                for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                    action.accept(e);
                }
                if (modCount != mc)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }
}

三、与Hashtable对比

• HashMap 与 Hashtable 从存储结构和实现来讲基本上都是相同的
• 两者最大的不同是 Hashtable 是线程安全的，且它不允许 key 和 value 为null（两个都不允许为null）
• Hashtable是个过时的集合类，不建议在新代码中使用，在不需要线程安全的场合可以用 HashMap 替换，需要线程安全的场合可以用 ConcurrentHashMap 替换