HashMap源码解析

本源码为JDK8版本

HashMap的源码较简单,这里主要从源码解析下一些基本操作的原理。

静态常量

首先给出几个基本常量的值

        /**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two 
     * 默认初始化容量为16(注意容量必须是2的次方)
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    /**
     * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
     * by either of the constructors with arguments.
     * MUST be a power of two <= 1<<30.
     * 最大容量为2的30次方,指定容量大于此容量时,会等效于最大容量。
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     * 默认的装载因子,当size > loadFactor * capacity时会进行扩容
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
     * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
     * bin with at least this many nodes. The value must be greater
     * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
     * tree removal about conversion back to plain bins upon
     * shrinkage.
     * 当链表的长度>=8,即转为红黑树
     */
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

    /**
     * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
     * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
     * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
     * resize时将红黑树转为链表的threshold
     */
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

    /**
     * The smallest table capacity for which bins may be treeified.
     * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
     * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
     * between resizing and treeification thresholds.
     * 链表转换为红黑树的最小容量(否则链表长度>=threshold时会直接resize)
     */
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

基本节点类型

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

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
        //省略
    }

计算hash值

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

key.hashCode()即为key值原本的hash值,HashMap的hash方法是保持hash code的高16位不变,高16位与低16位做异或操作。注释解释是,因为已经使用红黑树来处理链表大量的碰撞,因此选择这种最cheap的方法来降低系统消耗,同时也对高位进行了操作(否则由于table的限制高位基本不会使用)。

基本变量

        //transient在序列化对象时,变量不会序列化 
        //table数组
    transient Node<K,V>[] table;

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

    //HashMap的size大小
    transient int size;

    //对HashMap进行结构修改的次数
    transient int modCount;

    //当前table的最大容量(默认16)
    int threshold;

    //装载因子(默认0.75)
    final float loadFactor;

HashMap初始化时,若未指定initialCapacity, loadFactor,会指定为默认值。

put操作

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

这里传入了key的Hash值,hash方法如上。直接看putVal()方法。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
            //若table为空,则先初始化table
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
            //(n - 1) & hash 确定下标,若该下标不存在,则指定newNode
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //判断p与传入的键值对的key、hash是否相同
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //若不同,且为红黑树节点,则在红黑树中插入节点
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            //否则,在链表中进行插入操作(插入后若长度>=8,会转为红黑树)
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //定位到e即已存在的节点,替换value值
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
            //插入后会判断size,决定是否扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

put操作可总结如下:

  1. 首先判断table是否为null,为null会调用resize()方法进行第一次初始化。

  2. (n - 1) & hash 定位下标,若不存在值,则直接插入。

  3. 若下标处已有值,则在链表或红黑树上查找做插入操作,这里链表是尾插法。

  4. 插入后modCount、size自增,如果size > threshold,会调用resize()方法进行扩容操作。

注意:

链表插入时,若长度>=8,会将链表转换为红黑树。

get操作

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

通过getNode(int hash, Object key)方法来获得节点

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;
    }

通过源码可以看到,就是非常常规的查找操作,不再赘述。

注意:

红黑树查找时间复杂度:O(logn)

链表查找时间复杂度:O(n)

扩容操作

对HashMap进行扩容时,实际上调用的是resize()方法

final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
            //首先要确定新的threshold
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            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);
        }
        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;
            //复制操作
        if (oldTab != null) {
            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 { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        do {
                            next = e.next;
                            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;
    }

扩容时,先增大threshold,然后创建newTab,复制原table。

这里注意:

根据(e.hash & oldCap)的结果,

若为0,则下标保持不变,若不为0,则下标+oldCap;(保持相对顺序不变)

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