Java8 HashMap源码分析

最新推荐文章于 2025-06-30 11:34:00 发布

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前言

今天，我们主要来研究一下在Java8中HashMap的数据结构及一些重要方法的具体实现。
研究HashMap的源代码之前，我们首先来研究一下常用的三种数据结构：数组、链表和红黑树。
数组作为一种基本的数据结构，以线性的方式组织数据，按数据的插入顺序来排列数据。在内存中，数组的物理组织形式是一段连续的内存空间。在数据操作上，由于数组的物理特点，可以在O(1)的时间复杂度内完成数据的查找，在插入和删除上需要更长的时间（O(n)的时间复杂度）。
链表在逻辑特性上基本与数组保持一致，同样以线性的方式组织数据，按数据的插入顺序来排列数据。在内存中，链表的物理组织形式是离散的磁盘空间，通过指针进行不同链表节点的链接，因此在数据的插入和删除上具有非常好的性能，可以达到O(1)的时间复杂度，但是在查找上面性能较差，需要O(n)的时间复杂度。
红黑树是一种经过了优化的平衡二叉树，可以在数据的插入上获得更好的性能。首先红黑树在数据的查找上可以达到O(nlog(n))的时间复杂度，同时数据的插入和删除，可以实现局部调整，从而可以承担更少的性能代价（相较于平衡二叉树）。
HashMap的设计就是为了在查找上获得最优的性能（希望基本获取O(1)的时间复杂度)，因此HashMap主要使用了数组作为核心的数据存储的结构，同时使用链地址法解决K-V映射时产生的碰撞，在Java8中同时加入了红黑树来优化碰撞时数据匹配的性能。HashMap的组织形式大致如下图所示：

HashMap的映射方法

Java8中结合元素自身的hashcode以及再hash的方式来获取元素的哈希值，在通过取模的方式映射到数组中，其中取模运算是通过优化后的位运算来实现的。首先来看一下元素的hashcode的获取方法：

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

由此可知，HashMap是使用元素自身的hashcode的前16位作为哈希值的。结下来看一看如何使用该哈希值做映射，为了说明方便我们使用Java7中的indexFor函数来做说明，在Java8中虽然没有显示的这个函数了，但该函数的具体实现被嵌入到了具体的各个方法中了。

static int indexFor(int h, int length) {  
    return h & (length-1);
}

如上，需要解释两个问题，1）如何使用位运算&来实现取模运算2）在HashMap中，数组table的长度为啥必须为2的n次方。

首先来解释第一个问题1）如何使用位运算&来实现取模运算。先来看一个简单的例子，当数组的长度为16的时候，实现取模运算和位运算&时候的结果如下：

key&(table.length-1) 二进制	index	key%(table.length-1)	index
4&15 100&1111	100	4%15	4
13&15 1101&1111	1101	13%15	13
19&15 10011&1111	11	19%15	4

由上表可知，可以通过位运算&的方式，实现hashcode的映射，将不同的hashcode映射到不同的数组下标中，并且如表所知，可以通过hashcode的末几位决定映射后的下标位置。同时可以知道，实际上hashcode的很多位是用不上的，因此在HashMap的hash函数中，才使用了移位运算，只取了hashcode的前16位来做映射。
同时另一方面，虽然通过对2^n-1做&运算不会和%运算获得同样的结果，但是能够将hashcode做一个均匀的散列，其效果完全等同于取模运算，并且会有更优的运算性能。
因此第二个问题2）HashMap中，数组table的长度为啥必须为2的n次方的第一个层面就回答完了，为了在&运算中，使元素在数组中映射的更均匀，达到%运算的效果，所以将数组的大小必须设定位2的n次幂。同时该大小的设定还有第二个层次的原因，具体我们将在resize函数的解析中，做进一步的剖析，请继续研读下去。