HashMap JDK1.8源码分析 v0.1

第一节 参考

1. https://segmentfault.com/a/1190000012728513

第二节 架构

一.关注点

1.jdk1.7以前使用数组，链表实现.1.8之后使用数组,链表,红黑树.
2.threshold=capacity * load factor. 当size个数到达threshold而且目标hash值初不为空时，做resize扩容,扩容2倍.
3.链表头插法，扩容后链表倒置
4.取模通过h & (length - 1).
5.length取大于长度的2的幂次方的数值，算法是位操作，取出最高位的1的位置，较低的位全是1.
6.索引值。取低位的哈希值，调用 key & (length - 1)
7.重新hash基本不会触发，需要元素个数大于Inter.Max_value.
8.多线程扩容死循环问题.
9.因为没有重新算hash值，同一hash值的链表还是在扩容之后的数组的同一位置的链表处，只是链表倒置.
10.modcount引起的concurrentModifyException异常.
11.jdk1.8上,如果节点个数大于TREEIFY_THRESHOLD,单链表转为红黑树存储或者拆链表扩容,TREEIFY_THRESHOLD默认为8.

二.红黑树

(一).性质
二叉查找树的一种,避免普通二叉查找树有序时退化成单链表
1.节点是红色或者黑色
2.根节点是黑色
3.每个叶子节点(NIL)是黑色
4.红色节点的两个子节点是黑色
5.任一节点到每个叶子都有相同数目的黑色节点.

(二).插入节点
1.1.8之后的红黑树左旋，右旋三步走.
左旋(左边少树):顶点往左下来，右边子节点上去做根，右边子节点的左子树左旋挂到原来顶点的右子树上。
右旋(右边少树):顶点往右下来，左边子节点上去做根，左边子节点的右子树右旋挂到原来顶点的左子树上.
2.新插入节点默认为红色。如果插入黑色节点，当前路径比其他路径多出黑色节点，调整麻烦.
插入场景分别如下:
a.如果只有一个节点,即根节点黑色.如果只有两个或者三个节点,根节点黑色，子节点红色.
b.红黑树变色.条件:新插入节点的父节点和叔叔节点是红色.
变色:父节点和叔叔节点变黑色，爷爷节点变红色.
c.红黑树左旋.条件:不满足规则的连续红色节点的下面节点是右边子节点,它的父亲是红色，叔叔是黑色.
左旋:不满足规则的连续红色节点的上面节点作为顶点,左旋.左旋不变色.
d.红黑树右旋.条件:不满足规则的连续红色节点的下面节点是左边子节点,它的父亲是红色，叔叔是黑色.
右旋:不满足规则的连续红色节点的上面节点的父节点作为顶点,即下面节点的爷爷节点作为顶点,右旋.右旋需要多一个变色操作,
父节点右旋上去后变黑,爷爷节点右旋下来后变红.
(三).删除节点

第三节 源码细节

一.构造方法

如果HashMap()使用默认的空构造方法,只设置loadFactor为0.75.阈值和容量都为0.

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;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

初始化初始容量(默认16),装载因子(默认0.75),阈值(大于阈值时扩容2倍,默认16*0.75=12).
tableSizeFor方法用于返回大于容量的2次幂的值
默认的空构造方法在第一次put的resize时设置这些值.
 

二.put() 插入数据

hash是key的hashCode()方法值异或hashcode的高16位.
 

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        //第一次时table为空,创建table的node数组,
        n = (tab = resize()).length;
    //索引i即是(n-1)&hash
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        //看数组的该索引处是否为空，如果为空，创建单链表,
        //这里即为单链表的第一个节点
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        //该索引处已经有值，产生碰撞时，进入这里.此时,p指向链表第一个节点
        Node<K,V> e; K k;
        //如果第一个节点的key,hash都和put值相等，代表直接value在后面放在第一个节点里面
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //如果第一个节点是二叉树节点，通过二叉树插入值
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                //p向后遍历,直到最后一个节点
                if ((e = p.next) == null) {
                    //把插入的节点放在最后一个节点后面
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //binCount从0个数,这里单链表节点个数从第9个开始,转为红黑树存储或者扩容拆链表,
                    //即链表最多长度为9,因为上面一行已经把第9个节点放到链表尾部
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //如果遍历过程中有节点和插入的值hash，key都相等，跳出循环
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        //如果已经存在key，hash相同，则指向已有节点,此时e不为空.不存在已有节点，则e为空.
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    //正在更新的节点个数加一,用于并发读时，报错
    ++modCount;
    //节点个数>阈值,扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    //下面这个空方法
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

三.resize() 扩容

如果HashMap()使用默认的空构造方法时,第一次put进入这里创建node数组.

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) {
        //原来容量已经超过最大整数,基本不可能
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        //正常的扩容操作，原来的threshold默认是12，变成24,cap是16，变成32.
        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
        //使用默认的空构造方法时,容量设置为16.阈值为12.
        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;
    //创建节点数组,默认大小为16.第一个次扩容在前面变成32.
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        //初始化设置不进这里.第一次扩容时进入这里,依次移动原来数组中的每个单链表
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            //原数组中该索引处有元素，开始移动
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                //原来数组该索引处清空，节点赋给e
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                //原数组该索引处单链表只有一个节点,根据hash值和新的cap容量重新计算节点索引位置
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    //原数组该索引处是红黑树，进行分裂操作
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    //第一次扩容，拆分链表进这里
                    //单链表按照元素排序的奇偶分成两个链表,
                    //loHead指向奇数位置链表.hiHead指向偶数位置链表
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        //e每次指向新遍历的节点
                        next = e.next;
                        //链接奇数链表
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        //链接偶数链表
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    //奇数链表的索引不变
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    //偶数链表的索引变成原索引+原数组容量16
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

四.Node节点及单链表

每个节点存储key,value,下一个节点，hash值.

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

五.treeifyBin() 红黑树存储

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)
        //第一次进来treeifyBin方法就扩容,n是数组默认大小16，小于64,不转红黑树
        resize();
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        //数组长度扩容为64时才变成红黑树,map内存储元素个数为33
        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
        do {
            //e指向单链表第一个结点
        //单链表每个节点创建一个TreeNode,填充hash,key,value,next
            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)
            //把单链表转成红黑树
            hd.treeify(tab);
    }
}

六.单链表转红黑树方法

final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
    TreeNode<K,V> root = null;
    for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
        next = (TreeNode<K,V>)x.next;
        //x指向当前节点，先把左右子树置null
        x.left = x.right = null;
        //创建红黑树根节点
        if (root == null) {
            x.parent = null;
            x.red = false;
            root = x;
        }
        else {
            K k = x.key;
            int h = x.hash;
            Class<?> kc = null;
            for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
                int dir, ph;
                K pk = p.key;
                if ((ph = p.hash) > h)
                    dir = -1;
                else if (ph < h)
                    //下插入的hash值比父节点大,插入到右子树上
                    dir = 1;
                else if ((kc == null &&
                          (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                         (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                    dir = tieBreakOrder(k, pk);

                TreeNode<K,V> xp = p;
                //dir = 1时，插入到右子树.dir = -1是插入到左子树
                //p根据遍历的当前节点的值，指向父节点的左子树或者右子树
                if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                    x.parent = xp;
                    if (dir <= 0)
                        xp.left = x;
                    else
                        xp.right = x;
                    //插入后做二叉树的平衡(变色，左右旋)
                    root = balanceInsertion(root, x);
                    break;
                }
            }
        }
    }
    moveRootToFront(tab, root);
}

七.树节点结构

class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        ...
}

八.红黑树的平衡

<K,V> TreeNode<K,V> balanceInsertion(TreeNode<K,V> root,
                                                    TreeNode<K,V> x) {
    x.red = true;
    for (TreeNode<K,V> xp, xpp, xppl, xppr;;) {
        //只有一个节点,可能是红色,变成黑色
        if ((xp = x.parent) == null) {
            x.red = false;
            return x;
        }
        //只有一个黑色节点
        else if (!xp.red || (xpp = xp.parent) == null)
            return root;
        if (xp == (xppl = xpp.left)) {
            //参考链接1的情况三
            if ((xppr = xpp.right) != null && xppr.red) {
                xppr.red = false;
                xp.red = false;
                xpp.red = true;
                x = xpp;
            }
            else {
                if (x == xp.right) {
                    //参考链接1的情况四
                    root = rotateLeft(root, x = xp);
                    xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
                }
                if (xp != null) {
                    xp.red = false;
                    if (xpp != null) {
                        xpp.red = true;
                        root = rotateRight(root, xpp);
                    }
                }
            }
        }
        else {
            if (xppl != null && xppl.red) {
                xppl.red = false;
                xp.red = false;
                xpp.red = true;
                x = xpp;
            }
            else {
                if (x == xp.left) {
                    root = rotateRight(root, x = xp);
                    xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
                }
                if (xp != null) {
                    xp.red = false;
                    if (xpp != null) {
                        xpp.red = true;
                        root = rotateLeft(root, xpp);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

九.左旋

参考链接1的情况四
左旋三步走:右孩子的左子树挂到父节点的右子树上，右孩子左旋上移,父节点左旋向左下方下移

static <K,V> TreeNode<K,V> rotateLeft(TreeNode<K,V> root,
                                              TreeNode<K,V> p) {
    //p是情况四的P节点,r是N节点.即p是连续红色节点的上面的节点,r是连续红色的右孩子节点
    TreeNode<K,V> r, pp, rl;
    if (p != null && (r = p.right) != null) {
        //右孩子r的左子树挂到父节点p的右子树上
        if ((rl = p.right = r.left) != null)
            //r的左子树的父节点指向p
            rl.parent = p;
        //r节点左旋上移,即r的父节点指向爷爷节点
        if ((pp = r.parent = p.parent) == null)
            //如果爷爷节点为空，则r变为根节点，需要变成黑色
            (root = r).red = false;
        else if (pp.left == p)
            //爷爷节点的左子树指向r节点
            pp.left = r;
        else
            //爷爷节点的左子树指向r节点
            pp.right = r;
        //r节点的左子树指向原来的父节点，即原来的父节点向左下旋转移动
        r.left = p;
        p.parent = r;
    }
    return root;
}

十.右旋

参考链接1的情况五

static <K,V> TreeNode<K,V> rotateRight(TreeNode<K,V> root,
                                               TreeNode<K,V> p) {
    //p是情况五的G节点,l是P节点.即p是连续红色节点的上面红色节点的父节点,即爷爷节点,l是连续红色节点的上面的节点
    TreeNode<K,V> l, pp, lr;
    if (p != null && (l = p.left) != null) {
        //爷爷节点的左子树指向父节点的右子树，即父亲节点的右子树右旋挂到爷爷节点的左子树上.
        if ((lr = p.left = l.right) != null)
            //父节点的右子树指向爷爷节点
            lr.parent = p;
        //爷爷节点如果是null节点，父节点作为根节点变成黑色
        if ((pp = l.parent = p.parent) == null)
            (root = l).red = false;
        else if (pp.right == p)
            pp.right = l;
        else
            pp.left = l;
        //父节点的右子树指向爷爷节点
        l.right = p;
        //爷爷节点的父节点指向父节点
        p.parent = l;
    }
    return root;
}

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