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HashMap实现原理

前言

HashMap的主干是一个数组,假设我们有3个键值对dnf:1,cf:2,lol:3,每次放的时候会根据hash函数来确定这个键值对应该放在数组的哪个位置,即index = hash(key)

1 = hash(dnf),我们将键值对放在数组下标为1的位置

3 = hash(cf)

1 = hash(lol),这时发现数组下标为1的位置已经有值了,我们就可以用链表的形式将这个键值对放到dnf键值对的下面

在获取key为lol的键值对时,1=hash(lol),得到这个键值对在数组下标为1的位置,lol和dnf不相等,和下一个元素比较,相等返回

源码

基于jdk1.7.0_80,1.8和1.7相比 差不多,1.8只是多了一个新特性,当链表的长度>=8的时候,链表转换为红黑树提高查询的效率,1.7解读起来更容易

关注点

结论

HashMap是否允许空

key和value均允许为空

HashMap是否有序

无序

HashMap是否线程安全

非线程安全

//放置的key-value对的个数
transient int size;

//HashMap的主干是一个Entry数组,在需要的时候进行扩容,长度必须是2的被数
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

//进行扩容的阀值,值为 capacity * load factor,即容量 * 负载因子
int threshold;

//负载因子
final float loadFactor;

各种默认参数不再细说,这里说一下threshold和loadFactor,

threshold = capacity * load factor,即扩容的阀值=容量*负载因子,

比如HashMap的容量为16,负载因子为0.75,则阀值为16*0.75=12,

当HashMap中放入12个元素时(size=12),就会进行扩容

1.负载因子越小,容易扩容,浪费空间,但查找效率高

2.负载因子越大,不易扩容,对空间的利用更加充分,查找效率低(链表拉长)

上述中的键值对是存放在一个静态的内部类中,即数组中存放的元素

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用,单链表结构
    int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值,存储在Entry,避免重复计算

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
}

构造函数只做2件事,初始化数组大小和负载因子,要么自己指定,有么用默认值,可能有人会说threshold是扩容阀值不是数组的长度啊,我们一会细说,(代码省去一部分校验内容)

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  this.loadFactor = loadFactor;
  threshold = initialCapacity;
}

put操作

public V put(K key, V value) {
    //hashmap的数组={}
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    //获取hash值
    int hash = hash(key);
    //找到应该放到table的哪个位置
    int i = indexFor(hash, table.length);
    //遍历table[i]位置的链表,查找相同的key,若找到则使用新的value替换oldValue,并返回oldValue
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        //如果key已经存在,将value设置为新的,并返回旧的value值
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    //将元素放到table[i],新的元素总在table[i]位置的第一个元素,原来的元素后移
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

这里面试一般会问到为什么HashMap不能存放2个key相等的元素,因为放置key相等的元素时,新值会替换旧值,并且返回旧值

这里我们分析inflateTable,putForNullKey,addEntry方法,hash方法不进行分析,indexFor方法最后进行分析

传入的参数是构造函数初始化的threshold,将数组的长度变为>=size,并且是2的倍数的长度,这样即使初始化数组长度不是2的倍数,也会在第一次放值时变为2的倍数,并且对threshold重新设值

private void inflateTable(int toSize) {
    //返回大于或等于最接近2的幂数
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);

    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
    initHashSeedAsNeeded(capacity);
}

若key为null,则将值放在table[0]这个链上,这样key为null的时候直接从table[0]处取值即可

private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}

这里需要注意一下扩容的时机和扩容的大小,以后会和Hashtable,ConcurrentHashMap进行比较

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //容量超过阈值,并且即将发生哈希冲突时进行扩容
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        //扩容为原来的2倍
        resize(2 * table.length);
        //重新计算hash值
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

将新增加的元素放到链表的第一位,并且将其他元素跟在第一个元素后面,即头插法

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

get方法

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();
}

从table[0]初获取key为null的值

private V getForNullKey() {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null)
            return e.value;
    }
    return null;
}

key不为null时

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }

    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
         e != null;
         e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
    }
    return null;
}

HashMap的大小为什么是2的倍数

h是hashcode,length时数组长度,下面这个方法是根据hashcode求出对象在数组中放置的位置

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

h & (length - 1) 等价于 h % length,我们假设数组的长度为15和16,hashcide为8和9

可以看出数组长度为15的时候,hash码为8和9的元素被放到数组中的同一个位置形成链表,键低了查询效率,当hahs码和15-1(1110)进行&时,最后一位永远是0,这样0001,0011,0101,1001,1011,0111,1101这些位置永远不会被放置元素,这样会导致1.空间浪费大,2.增加了碰撞的几率,减慢查询的效率。当数组长度为2的n次方时,2的n次方−1的所有位都是1,如8-1=7即111,那么进行低位&运算时,值总与原来的hash值相同,降低了碰撞的概率

本文分享自微信公众号 - Java识堂(erlieStar),作者:李立敏

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2018-04-06

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