【Java学习】HashMap（JDK1.8）

目录

HashMap中的属性

构造函数

HashMap允许空键空值么

putVal分析

resize分析

数组长度为什么为2的n次幂？

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HashMap中的属性

/**
 * The default initial capacity - MUST be a power of two.
 *
 * 解释：
 * capacity：HashMap容量。表示HashMap中数组table的大小。默认为16。
 */
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.
 *
 * 解释：
 * 最大容量：2的30次方
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
 * The load factor used when none specified in constructor.
 *
 * 解释：
 * 默认装载因子：与数组扩容有关。用于计算扩容阈值 threshold = capacity * load_factory
 */
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.
 *
 * 解释：
 * 树化阈值：当链表长度大于8时，链表转化为红黑树
 */
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.
 *
 * 解释：
 * 当红黑树中节点小于6时，红黑树退化为链表
 */
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.
 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;


/**
 * The table, initialized on first use, and resized as
 * necessary. When allocated, length is always a power of two.
 * (We also tolerate length zero in some operations to allow
 * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
 * 
 * 解释：
 * HashMap中的数组结构
 */
transient HashMap.Node<K,V>[] table;

/**
 * The number of key-value mappings contained in this map.
 * 
 * 解释：
 * HashMap中的kv键值对个数
 */
transient int size;

/**
 * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
 *
 * 解释：
 * 数组扩容阈值 threshold = capacity * load_factory
 * @serial
 */
// (The javadoc description is true upon serialization.
// Additionally, if the table array has not been allocated, this
// field holds the initial array capacity, or zero signifying
// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
int threshold;

/**
 * The load factor for the hash table.
 *
 * 解释：
 * 装载因子，与数组扩容阈值 threshold 有关
 * @serial
 */
final float loadFactor;

构造函数

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);
}

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

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


/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 * 
 * 解释：
 * 返回给定目标容量的2次幂大小
 */
static final int tableSizeFor(int cap) {
    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;
}

 注：有参构造函数会在将输入的capacity改为大于等于capacity的最小的2的次方的数值，如：输入2会修改为2；输入3会修改为4；输入6会修改为8。

HashMap允许空键空值么

HashMap最多只允许一个键为Null(多条会覆盖)，但允许多个值为Null

static final int hash(Object key) {
    int h;
    // 允许key为null，key为null时，hash值设为0
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

putVal分析

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    // tab:引用HashMap中的table数组
    // n:table数组大小
    HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
    // 1、数组为null 或 大小为0，则通过resize初始化数组
    // 注：在创建HashMap对象后，数组不会初始化，只有首次调用put时才会初始化
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        // 1.1 将初始化后数组的大小赋值给n
        n = (tab = resize()).length;
    // 2、通过与运算（&）计算hash值和数组长度取余的值，即为key应放入的数组下标位置（这也是为什么数组长度需要设为2的n次方），
    // 然后将数组下标元素赋值给p
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 2.1 如果该下标位置为空，构建node节点并放到改下标位置，kv插入完成
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        // 2.2 该下标位置已经有数据了
        HashMap.Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            // 2.2.1 数组下标位置第一个节点的key和待插入key相等（hash值相等 且 equal相等）
            e = p;
        else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
            // 2.2.2 数组下标位置为TreeNode类型
            e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 2.2.3 数组下标位置为链表，遍历链表
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 2.2.3.1 遍历链表，找到链表表尾，创建node节点，并将已存在节点的next指针指向新节点，kv插入完成
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        // 新节点插入完成后，节点数超过 TREEIFY_THRESHOLD ，进入树化逻辑，但并不一定会树化
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 2.2.3.2 插入完成，跳出链表循环
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 2.2.3.3 遍历过程中，如果某个节点的key和待插入key相等（ hash 和 equal 都相等），跳出遍历
                    break;
                // 2.2.3.4 指针往后移动，用于下次循环遍历下一个节点
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            // 2.3 存在与待插入key值相等的node节点，替换node节点的value为新value
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            // 返回旧值，不进行后续的扩容判断，因为size不变
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        // 3、kv插入完成后的size大于扩容阈值
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

注：

• 先插入数据，再判断如果插入后链表节点数大于数化阈值8，则进入树化逻辑，数化逻辑中判断如果数组长度小于64，会执行resize()扩容，大于64时才会树化。
• 先插入数据，再判断如果插入后size大于扩容阈值，则扩容。

resize分析

final HashMap.Node<K,V>[] resize() {
    HashMap.Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            // 如果容量大于了最大容量时，直接返回旧的table
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            // 扩容两倍后容量小于最大容量 且 原容量大于默认初始化的容量，对阈值增大两倍
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        // 默认初始化容量和阈值
        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"})
    HashMap.Node<K,V>[] newTab = (HashMap.Node<K,V>[])new HashMap.Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        // 遍历旧数组的每个桶
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            // e:桶的第一个节点
            HashMap.Node<K,V> e;
            // 将桶内的第一个节点赋值给e，桶为null则不进行操作
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                // 将原哈希桶置为null，让gc回收（根可达性分析算法）
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    // 如果桶的第二个节点为null，则只需要将e进行转移到新的哈希桶中
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof HashMap.TreeNode)
                    // 如果哈希桶内的节点为红黑树，则交给TreeNode进行转移
                    ((HashMap.TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    // 将桶内的node转移到新的哈希桶内

                    // loHead、loTail记录低位链表的头部和尾部节点（即移动到新数组后，下标不需要变化的node链表）
                    HashMap.Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    // hiHead，hiTail与上面的一样，区别在于这个是高位链表（即移动到新数组后，下标需要变化的node链表）
                    HashMap.Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    HashMap.Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        
                        // jdk1.7是将哈希桶的所有元素重新进行hash算法后转移到新的哈希桶中
                        // 而1.8后，则是利用哈希桶长度在扩容前后的区别，将桶内元素分为原先索引值和新的索引值（即原先索引值+原先容量）。
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            // 扩容前后对当前节点的下标值 没有发生改变

                            if (loTail == null)
                                // loTail低位尾结点为null时，代表低位桶内无元素，则记录低位头节点
                                loHead = e;
                            else
                                // 将低位尾节点next指向当前节点，即新的节点是插在链表的后面，尾插法
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {
                            // 扩容前后对当前节点的下标值 发生改变

                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 如果低位链表记录不为null，则低位链表放到新数组的 原 下标位置中
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 如果高位链表记录不为null，则高位链表放到新数组的 新 下标位置中
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        // j + oldCap 计算新数组下标
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

数组长度为什么为2的n次幂？

1、计算数组下标时提高性能。位运算直接对内存数据操作，不用转成十进制计算，在定位目标值数组下标时可以通过与运算 ( length - 1 ) & hash 计算，因为当length为2的n次方时，

(length - 1)&hash = hash%length。

2、实现均与分布。回答1中说明了使用 ( length - 1 ) & hash 计算数组下标，因为在使用不是2的次方的数字的时候，Length - 1 的值是所有二进制位全为1，这种情况下，计算后下标的值就等于hash后几位的值，只要输入的hash本身分布均匀，计算的下标位置就是均匀的。

3、快速计算容量。

• 创建HashMap对象时传入的自定义容量如果不是2的次方，构造函数会计算出第一个比他大的2的幂并设置为容量大小。
• 在resize()扩容的时候通过容量右移一位的方式扩容为原来的2倍。

4、扩容后，重新计算数组下标逻辑简单。扩容为原来的2倍，( length - 1 ) & hash 重新计算下标只是在原有计算逻辑多加一个bit。

为什么数组大小超过64才会树化？

1、如果数组长度小时，元素的碰撞率会比较高，和容易导致桶中节点数过多。

2、如果数组长度小时，会导致频繁扩容，从而导致红黑树不断进行拆分重新映射到新数组。

参考：

HashMap面试题及答案（2022版） - Java团长 - 博客园