HashMap源码分析（JDK1.8版本）

基本概念

HashMap又叫哈希表、散列表，是一种以key/value方式存储数据的数据结构，它利用不重复、无序的键实现了快速查找。每个key对应唯一的value，查询和修改的效率都很快，能达到O(1)的平均时间复杂度。它是非线程安全的，且不保证元素存储的顺序。

继承关系

Collection家族关系

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
  • 继承自AbstractMap,并实现Map,具备Map的所有功能
  • 实现了Cloneable，可以被复制，原型设计模式
  • 实现了Serializable,可以被序列化

储存结构

HashMap存储结构

  • 蓝色部分是数组，数组的每一个元素也叫做桶，但插入元素和已有元素发生Hash碰撞时，这两个Hash碰撞的元素将会以单链表方式存放在同一个桶里。
  • 在JDK1.8版本之前，采用数组+链表的方式，当发生Hash碰撞的次数足够多时，桶内的单链表将会变的非常长，查找元素的时间复杂度将会退化成O(n)。为了解决这个问题，在JDK1.8之后，引入了红黑树，在桶里单链表长度>=8时，单链表将会转换成红黑树,查找时间复杂度从O(n)降低到O(log n),极大的提升了查找效率。在桶内单链表长度<=6,红黑树转换回单链表的方式存储。

构造函数

  • 无参构造
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
    }

无参构造扩容因子默认值0.75f

  • int参数构造
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    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);
    }

    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;
    }
  • 传入initialCapacity初始容量，将initialCapacity和默认扩容因子传入调用自身HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造方法
  • HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)判断传入的初始容量initialCapacity是否合法，必须大于0。
  • tableSizeFor(initialCapacity)方法计算是否需要扩容的阀值，并赋值给threshold,
    tableSizeFor(int cap)保证扩容阀值为2的幂次，接下来重点看下这个方法是怎么保证为2的幂次的。
举个例子
假如tableSizeFor(int cap)方法传入的参数是10，
int n = cap - 1; 
//n=9 转二进制 1001 补足8位= 0000 1001
n |= n >>> 1;
// 9|9无符号右移1位 = 0000 1001|0000 0100 = 0000 1101
n |= n >>> 2;
//0000 1101|0000 0011 = 0000 1111 //后面的值不再有变化，都是一样
n |= n >>> 4;
// 0000 1111|0000 0000 = 0000 1111
n |= n >>> 8;
//0000 1111
n |= n >>> 16;
//0000 1111
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
//后面return的值等于 0000 1111 + 1 = 0001 0000 再转10进制 = 2的4次方 =16

再解释一下为什么需要int n = cap - 1，为了避免参数cap本来就是2的幂次方，经过后续的未操作的，cap将会变成2 * cap,不符合预期。

为什么扩容阀值threshold要保证为2的幂次？

threshold要保证为2的幂次方主要原因是HashMap中数据存储有关,HashMap中key的Hash值由hash(Object key)方法计算得来。

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
  • HashMap中存储数据table的index是由key的Hash值决定的。
  • 在HashMap存储数据的时候，我们期望数据能够均匀分布，以避免哈希冲突。我们首先可能会想到采用%取余的操作来实现。
  • 取余(%)操作中如果除数是2的幂次则等价于与其除数减一的与(&)操作（也就是说 hash%length==hash&(length-1)的前提是 length 是2的幂次方。
  • 采用二进制位操作 &，相对于%能够提高运算效率，这就是HashMap的长度为什么是2的幂次方的原因。
  • Map参数构造
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) {
                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);
            }
        }
    }
  • 扩容因子默认值0.75f
  • putMapEntries方法将传入的Map或Map子类传入放入自身进行存储

put(K key, V value)方法

    
  public V put(K key, V value) {
      return putVal(hash(key), key, value, false,  true);
  }

put调用了内部的putVal(hash(key), key, value, false, true)

@param hash -> key.hashCode())^ (h >>> 16) 这里可以认为是key的hash值
@param key
@param value
@param onlyIfAbsent 是否不改变现有的值
@param evict 如果为false，则表处于创建模式。
@return previous value, or null if none

    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)
            n = (tab = resize()).length;//如果是第一次put，初始化tab
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 通过hash计算当前的下标索引对应的value为null，创建新的链表节点赋值
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 如果key相同,p赋值给e
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 如果p是红黑树类型，调用putTreeVal方式赋值
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //单链表
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 如果p的next为空，将新的value值添加至链表后面
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // 循环初始值0 ，所以-1
                             //static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
                            // 如果链表长度大于等于8，链表转化为红黑树，执行插入
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // key相同则跳出循环
                    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;
               //已存在相同的key，覆盖并返回旧的value
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);//给子类的回调方法
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            // size大于加载因子,扩容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);//给子类的回调方法
        return null;
    }

扩容resize()方法

    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) {//旧表为空，不是第一次put
            // 超过容量最大值就不再扩容了，就只好返回旧表 基本不可能发生
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab; 
            }
            // 没超过最大值，扩容oldThr << 1，即原来的2倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; 
        }
        else if (oldThr > 0) 
            newCap = oldThr;// 新的容量大小 = 旧扩容阀值
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
      // 计算新的扩容阀值 容量*扩容因子 默认扩容因子0.75
        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;
        if (oldTab != null) {
            // 把每个数组元素(桶)都移动到新的桶中
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // 保证顺序
                        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);
                        // 原索引放到bucket里
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            // 原索引+oldCap放到bucket里
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

get(Object key)方法

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
  • 调用tab[(n - 1) & hash]方法获取到key的hash对应的数组元素(桶)
  • 调用getNode()方法通过key和hash获取对应的value。不存在则返回null
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }
  • 1.若数组table不为null且长度大于0且其索引为(n - 1) & hash（等价于hash%n）的节点不为null。其中n为数组长度，hash为插入的键值对的key的哈希值。则进入下一步，否则直接返回null
  • 2.判断首节点的key和hash是否与入参一致，若相同则返回首节点，否则进入下一步。
  • 3.判断节点个数只有1个，若是则返回null，否则进入下一步
  • 4.判断首节点是否为树节点，若是则遍历红黑树，否则为链表，进入下一步
  • 5.遍历链表，检索key和hash与入参相同的节点，若找到则返回该节点，否则返回null

remove(Object key)/remove(Object key, Object value)方法

    public V remove(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
    }

    public boolean remove(Object key, Object value) {
        return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
    }

remove调用removeNode方法

@param hash -> key.hashCode())^ (h >>> 16) 这里可以认为是key的hash值
@param key
@param value 要删除的键值对的value，该值是否作为删除的条件取决于matchValue是否为true
@param matchValue 如果为true，则当key对应的键值对的值equals(value)为true时才删除；否则不关心value的值
@param movable 删除后是否移动节点，如果为false，则不移动
@return 返回节点，如果没有，则返回null


final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                            boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index; // 声明节点数组、当前节点、数组长度、索引值
    /*
     * 如果 节点数组tab不为空、数组长度n大于0、根据hash定位到的节点对象p（该节点为 树的根节点 或 链表的首节点）不为空
     * 需要从该节点p向下遍历，找到那个和key匹配的节点对象
     */
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v; // 定义要返回的节点对象，声明一个临时节点变量、键变量、值变量
 
        // 如果当前节点的键和key相等，那么当前节点就是要删除的节点，赋值给node
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
 
        /*
         * 到这一步说明首节点没有匹配上，那么检查下是否有next节点
         * 如果没有next节点，就说明该节点所在位置上没有发生hash碰撞, 就一个节点并且还没匹配上，也就没得删了，最终也就返回null了
         * 如果存在next节点，就说明该数组位置上发生了hash碰撞，此时可能存在一个链表，也可能是一颗红黑树
         */
        else if ((e = p.next) != null) {
            // 如果当前节点是TreeNode类型，说明已经是一个红黑树，那么调用getTreeNode方法从树结构中查找满足条件的节点
            if (p instanceof TreeNode)
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            // 如果不是树节点，那么就是一个链表，只需要从头到尾逐个节点比对即可    
            else {
                do {
                    // 如果e节点的键是否和key相等，e节点就是要删除的节点，赋值给node变量，调出循环
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                            (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
 
                    // 走到这里，说明e也没有匹配上
                    p = e; // 把当前节点p指向e，这一步是让p存储的永远下一次循环里e的父节点，如果下一次e匹配上了，那么p就是node的父节点
                } while ((e = e.next) != null); // 如果e存在下一个节点，那么继续去匹配下一个节点。直到匹配到某个节点跳出 或者 遍历完链表所有节点
            }
        }
 
        /*
         * 如果node不为空，说明根据key匹配到了要删除的节点
         * 如果不需要对比value值  或者  需要对比value值但是value值也相等
         * 那么就可以删除该node节点了
         */
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                (value != null && value.equals(v)))) {
            if (node instanceof TreeNode) // 如果该节点是个TreeNode对象，说明此节点存在于红黑树结构中，调用removeTreeNode方法（该方法单独解析）移除该节点
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            else if (node == p) // 如果该节点不是TreeNode对象，node == p 的意思是该node节点就是首节点
                tab[index] = node.next; // 由于删除的是首节点，那么直接将节点数组对应位置指向到第二个节点即可
            else // 如果node节点不是首节点，此时p是node的父节点，由于要删除node，所有只需要把p的下一个节点指向到node的下一个节点即可把node从链表中删除了
                p.next = node.next;
            ++modCount; // HashMap的修改次数递增
            --size; // HashMap的元素个数递减
            afterNodeRemoval(node); // 调用afterNodeRemoval方法，该方法HashMap没有任何实现逻辑，目的是为了让子类根据需要自行覆写
            return node;
        }
    }
    return null;
}
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