package java.util;
import java.io.*;
/**
* JDK7
*/
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
/**
* 默认的初始容量是16，且容量的值必须是2的整数次幂
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
*/
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.
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 默认的加载因子是0.75
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* An empty table instance to share when the table is not inflated.
*/
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
/**
* entry数组，用来储存数据的
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
/**
* The number of key-value mappings contained in this map.
*/
transient int size;
/**
* 阀值，当size的值大于或等于阀值时，需要调整HashMap的容量(threshold = capacity * load factor)。
* new一个HashMap(new HashMap<K, V>();)后，阀值的大小默认为初始容量的大小，即16
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
* @serial
*/
int threshold;
/**
* 加载因子
* 说明：
* 1)加载因子越大，空间利用率越高，但是发生碰撞的几率也会变大，从而导致链表的长度变大，最终造成查找的速度变慢。
* 2)加载因子太小，会导致table在扩容的时候还存在很多空闲的空间，造成空间的严重浪费。
* 3)一般使用默认的大小0.75即可。
*/
final float loadFactor;
/**
* The number of times this HashMap has been structurally modified
* Structural modifications are those that change the number of mappings in
* the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g.,
* rehash). This field is used to make iterators on Collection-views of
* the HashMap fail-fast. (See ConcurrentModificationException).
*/
transient int modCount;
// **************************** 1.重要的数据结构 ****************************
/**
* 链表中节点的数据结构，根据节点的数据结构可以看出：该链表是一个单向链表。
* 说明：
* table中元素的类型是Entry，即:table中的元素是一个单向链表。
*/
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
/**
* 判断两个entry是否相等，当它们的Key和Value都相等时返回true
*/
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}
// **************************** 重要的数据结构 ****************************
// **************************** 2.put、get方法 ****************************
/**
* 将key-value对添加到HashMap中，如果key已经存在，则新值替旧值，并返回旧值。
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old value is replaced.
*
* 说明：
* 1)当两个entry对象(一个是要新添加进来的对象，一个是已经存在的对象)的key不同，但它们的hash值相同，此时就会发生碰撞。
* 2)HashMap使用单向链表来存储元素，当碰撞发生时，HashMap会用传入的key-value来构造一个Entry对象，然后将该Entry放到指定链表的头部。
* 3)我们一般使用String、包装类(Interger等) 作为HashMap的key，原因如下：
* 1>String、Interger等包装类是final修饰的类，并且重写了equals()和hashCode()方法。
* 2>计算key的哈希值的前提是：key的值不会发生变化。如果一个key在 调用get(key)方法时的值 和 调用hash(key)方法时的值 不同的话，那么就不能从HashMap中找到正确的entry对象。
* 3>键对象正确地重写equals()和hashCode()方法是非常重要的。hashCode()方法应尽量使两个不相等的key返回不同的hashcode，降低碰撞的几率，这样HashMap的性能就能提高些。
* 4>键的不可变性使得程序能够缓存不同键的hashcode，这将提高整个获取对象的速度，这样HashMap的性能也可提高些。
*/
public V put(K key, V value) {
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
// 1.如果key为null：
// 1.1若map中不存在key为null的键值对，则将该键值对添加到table[0]中的链表的头部，并返回null。
// 1.2若map中已存在key为null的键值对，则用新的value取代旧的value，并且返回旧的value。
// 注：table[0]中的链表不只是用来存储key为null的键值对，也存储着其它的键值对。
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 2.如果key不为null：
// 2.1若该key在map中不存在，则计算该key的哈希值，根据key的哈希值找到bucket的位置，然后将key-value对添加到bucket中的链表的头部，并返回null。
// 注：这里的bucket即Entry数组table的元素，bucket的位置即table的下标。
// 2.2若该key在map中已存在，则用新的value取代旧的value，并且返回旧的value。
// 注：判断key是否存在的依据是：两个key的哈希值相等，并且key1.equals(key2)
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
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))) { // 2.2
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i); // 2.1
return null;
}
/**
* Inflates the table.
*/
private void inflateTable(int toSize) {
// Find a power of 2 >= toSize (根据入参toSize获取一个大于等于toSized的2的整数次幂的数作为数组的容量)
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
/**
* 将key为null的键值对put到map中。
*/
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
/**
* 获取数组的下标
*
* 说明：
* 1)根据key获得一个hashValue[注:hashValue=hash(key)]，然后用hashValue对length-1进行按位与运算得到数组的下标，即：hashValue&(length-1)
* 2)数组的length必须是2的整数次幂，原因如下：
* 第一：若length是2的整数次幂，则hashValue&(length-1)等价于hashValue%length，那么hashValue&(length-1)同样也实现了均匀散列，但是(位运算)效率会更高。
* 第二：若length为奇数，则length-1为偶数，偶数(二进制)的最后一位是0，从而导致hashValue&(length-1)的最后一位永远为0，
* 即：hashValue&(length-1)的结果永远为偶数，最终导致数组中下标为奇数的空间全部被浪费掉。
*/
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}
/**
* 将key-value添加到map中，即：使用传入的key-value来构造一个Entry对象，然后将该Entry放到指定链表的头部。
*
* 说明：
* 1)如果数组的size已经达到阀值，则先将数组的容量扩展到之前的2倍，然后再将该Entry放到指定链表的头部。
* 2)扩容是一个相当耗时的操作，因为它需要重新计算这些元素在新数组中的位置并进行复制处理。
* 3)在使用HashMap时，最好能提前预估下HashMap中元素的个数，这样有助于提高HashMap的性能。
*
* Adds a new entry with the specified key, value and hash code to the specified bucket.
* It is the responsibility of this method to resize the table if appropriate.
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
/**
* 获取key对应value
* Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* 说明：
* 1)当两个entry对象的key不同，而它们的hash值相同时(同一个链表中的Entry对象:它们的hash值都相同)，就会发生碰撞。
* 2)此时，HashMap会使用key1.equals(key2)找到链表中正确的entry对象的value，并返回。
*/
public V get(Object key) {
if (key == null) return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
/**
* Offloaded version of get() to look up null keys.
*/
private V getForNullKey() {
if (size == 0) {
return null;
}
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
/**
* Returns the entry associated with the specified key in the HashMap.
*/
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
// **************************** put、get方法 ****************************
/**
* The default threshold of map capacity above which alternative hashing is
* used for String keys. Alternative hashing reduces the incidence of
* collisions due to weak hash code calculation for String keys.
*/
static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity
* @param loadFactor the load factor
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
* or the load factor is nonpositive
*/
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);
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
init();
}
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial capacity and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* Rehashes the contents of this map into a new array with a larger capacity.
* This method is called automatically when the number of keys in this map reaches its threshold.
*
* If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.
* This has the effect of preventing future calls.
*
* @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;
* must be greater than current capacity unless current capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value is irrelevant).
*/
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, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
/**
* 将当前数组中所有的Entry转移到新的数组中。
*
* 说明：
* 在多线程环境下使用HashMap可能会导致死锁的发生：
* 1)如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，那么很可能出现两个线程同时试着调整数组大小(即:两个线程同时调用transfer方法)的情景，
* 2)在这两个线程同时调整数组大小(调用transfer方法)的时候，很可能出现两个Entry互相引用的情况(即产生了循环链表)，如果相互引用的情况发生了，那么代码(transfer方法)就进入就死循环了，最直观的表现就是：cpu的利用率极高，几乎接近100%。
* 3)排查死锁(死循环)：
* 1>找到JVM的进程ID(PID)： ps aux | grep java | grep tomcat-advertise
* 2>导出JVM当前的线程快照： jstack -l PID > /data/test/threadDumpFile
* 3>找到发生死循环的线程ID： top -Hp PID 注：cpu利用率极高的那个线程就是发生死循环的线程，该线程ID是用十进制表示的。
* 4>将十进制的线程ID转换为十六进制的线程ID： printf "%x\n" 十进制的ID
* 5>在线程快照文件threadDumpFile中找到该线程的堆栈信息，然后根据堆栈信息找到发生死循环的方法。
*/
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
// ...
}
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