HashMap源码

本文详细剖析了HashMap的内部结构,包括其哈希算法、扰动函数、链表与红黑树转换机制,以及扩容策略。同时,文章介绍了HashMap的构造方法、常量与变量设置,并深入探讨了put操作的具体流程。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

HashMap

单个数组元素 桶 —存链表/红黑树
数组 table
在这里插入图片描述

一、结构基础
1.1哈希
  • 先计算key的hashCode
  • 再使用扰动函数(减少哈希碰撞几率 )得到hash值
  • (n-1)&hash 当前元素应在的位置
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
1.2 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet 包含全部键值对的集合
1.3 transient Node<K,V>[] table;
1.4 Node
  • K key
  • V value
  • Node<K,V> nextNode
    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;
        }
    }
二、常量&变量
  • 默认初始容量 2^4 ==> 16
  • 最大容量 2^30
  • 默认加载因子 0.75
  • 树化阈值 当链表长度>=8时(桶上元素),链表转化为红黑树
  • 树退化阈值 当树大小<=6时(桶上元素),树退化为链表
  • 最小树化容量 64 这里指的是数组长度 小于64扩容 大于等于64树化
    当链表长度>=8,且table.length(数组长度)>=64时,才会树化
    在这里插入图片描述
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
  • size hashMap中键值对(映射)的数量
    /**
     * The number of key-value mappings contained in this map.
     */
    transient int size;
  • threshold
    /**
     * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
     */
    int threshold;

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

  • modCount
    修改次数 (hashMap线程不安全,该值相当于一个标志,其他线程修改了Map的结构,这个值就会变化,遍历的时候modCount与预期值不符合,就会报错)
    modCount就是HashMap进行结构调整的次数,结构调整就是对键值对数量的改变或者用其他方式改变HashMap的内部结构(比如rehash)。这个实例域用于在属于“HashMap Fail-Fast”的集合视图上生成迭代器。
    /**
     * 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;
        public final void forEach(Consumer<? super K> 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) {
                    for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                        action.accept(e.key);
                }
                if (modCount != mc)
                    throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
三、构造方法

3.1 带初始容量和加载因子
进行边界情况判断
计算threshold(返回>=给定容量,最小的 ,2的n次方)

 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;
       /**
     * Returns a power of two size for the given target capacity.
     * 返回大于capacity的 最小的 2的n次方
     */
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

3.2 带初始容量

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

3.3 无参构造

 public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

3.4 以其他Map为参数

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }
putMapEntries(基础还是putVal)
  • 用于构造方法
  • 用于putAll
  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);
            }
        }
    }
四、扩容机制
  • 新增元素 旧table为空
  • 新增元素 旧map.size()>threshold
4.1 先获取 新容量capacity 新阈值threshold
  • 如果之前是非空talbe,新容量为旧容量乘以2
  • 如果之前是空table,旧阈值不为0,新容量为旧阈值oldThreshold (前两个有参构造方法,但是初始容量设置为0,threshold通过tableSizeFor计算)
    • 如果之前是空table,旧阈值为0,新容量16,新阈值都是用默认值16*0.75(无参构造方法,直接用默认值)
  • 新阈值 = 新容量 × 加载因子(超过Max_Capacity 使用 Max_Value)
4.2 重新计算元素在新数组中的位置,然后挂结点
  • 树分裂
  • 链表
    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) {
        // 如果大于最大容量 将threshold设置为最大整数(不会再resize) 不再扩容 
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // 如果没有超过最大值 newCap = oldCap*2 
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                     // 扩容阈值 乘 2
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        // 如果旧Cap=0 只带容量的构造方法(Cap=0),或双参(Cap=) , 新容量为旧threshold
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults 
        // 初始容量=0 threshold=0 无参构造方法 
        // 容量设为默认 16 
        // 阈值 默认 12  16X0.75
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        // 计算新的 threshold (新容量×加载因子 再进行一系列判断)
        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;
        // 至此 各种属性大小已确定 newCap  newThreshold
        if (oldTab != null) {
        // 重新计算元素在新数组的位置 并填进去
        // 遍历旧的Map 将旧bucket 转移到 新 bucket 
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                // 原位置置空 元素都保存在e中
                    oldTab[j] = null;
                    // 遍历e (链表/红黑树)
                    if (e.next == null)
                    // 计算新的位置 然后挂上e
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                    // 如果e是树 要拆分 
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                    // e是链表
                        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;
    }
五、其他方法

5.1 新增 单个元素

  • 先判断原table 如果是空 resize()
    • 再判断计算后 结点位置table[i] 是否有元素 没有直接添加
      • 如果有元素 再判断key是否相同,相同进行值覆盖
        • key不相同,再判断table[i]是树 还是链表 是树直接按照树的方式挂结点
          • 如果是链表,还要判断加上这个结点会不会到达阈值,如果会 树化
            • 如果不会,直接在链表尾部加上新结点(遍历到尾部过程中,如果发现相同的key,进行值覆盖) JDK1.7 是在头部插入新结点
              • 最后还要判断size是否大于threshold ,如果大于,resize()
  public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
 public class A {
	final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
		Node<K, V>[] tab;
		Node<K, V> p;
		int n, i;
		// table[] 是空的 
		if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
			n = (tab = resize()).length;
	    // table[] 不是空 且 目标位置没有元素 直接挂上结点
		if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
			tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
		// 该位置上已经有元素
		else {
			Node<K, V> e;
			K k;
			// key值相等 直接覆盖旧值
			if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
				e = p;
				// key值不相等
			else if (p instanceof TreeNode)
			// 先判断是不是树结点 是 -- 添加叶子结点
				e = ((TreeNode<K, V>) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
				// 否 找到链表的尾部
			else {
				for (int binCount = 0;; ++binCount) {
					if ((e = p.next) == null) {
					// 挂上新结点
						p.next = newNode(hash, key, value, null);
						// 0---7 达到阈值 树化 链表长到8-->红黑树
						if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
							treeifyBin(tab, hash);
						break;
					}
					// 与链表元素key相同 值覆盖
					if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
						break;
					p = e;
				}
			}
			if (e != null) { // existing mapping for key
				V oldValue = e.value;
				if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
					e.value = value;
				afterNodeAccess(e);
				return oldValue;
			}
		}
		++modCount;
		// 先挂结点 再size+1 size>threshold resize
		if (++size > threshold)
			resize();
		afterNodeInsertion(evict);
		return null;
	}
}

5.2 TreeifyBin 树化

 /**
     * Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
     * table is too small, in which case resizes instead.
     */
    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        // 如果table是空或者table的length(数组长度)<树化阈值 resize()扩容
        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);
        }
    }
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