JDK8 HashMap源碼淺析

首先HashMap是基於Hash表存儲的，每個元素都是一個key-value鍵值對，內部結構是hash表和鏈表以及紅黑樹所存儲。其中鏈表和紅黑樹解決衝突問題，當集合容量大於閥值時，自動擴容。
HashMap實現了Serializable、Cloneable 接口，因此能被序列化和克隆，

HashMap是線程不安全的，如果想要安全的話可以使用concurrent包下的concurrentHashMap。

HashMap的數組結構如下圖所示：

HashMap有一個數組Table和鏈表組成。

下面先看看HashMap的屬性，這些屬性組成Hash表和鏈表等。

/**
     * 默認的初始化集合容量（容量爲HashMap中槽的數目）是16，且實際容量必須是2的整數次冪
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
	
	/**
     * 集合的最大容量（必須是2的冪且小於2的30次方，傳入容量過大將被這個值替換）
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
     * 默認加載因子，當集合容量大於0.75倍時 自動擴容。當然最大是 1 << 30
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
	
	/**
     * TREEIFY_THRESHOLD 默認爲8 當單個鏈表的容量大於 TREEIFY_THRESHOLD 時，就自動轉換爲紅黑樹，
     */
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
	
	/**
     * UNTREEIFY_THRESHOLD 進行resize()操作時用的，不能大於UNTREEIFY_THRESHOLD 
     */
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
	
	/**
     * hash表的裝載因子
     *
     * @serial
     */
    final float loadFactor;
	
	/**
     * Node節點，當鏈表長度小於TREEIFY_THRESHOLD時，鏈表用node鏈接
     */
    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;
        }
    }
	
	/**
     * hash表 
     */
    transient Node<K,V>[] table;
	
	/**
     * map集合size
     */
    transient int size;
	
	/**
     * 線程對集合操作數量，該字段用於使迭代器對HashMap的集合視圖快速失效
     */
    transient int modCount;
	
	/**
     * 調整大小的下一個尺寸
     *
     */
	int threshold;

屬性分析完後，下面看下HashMap怎麼創建和怎麼往集合中增加內容的。先看下HashMap的構造方法。

public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 將裝載因子設爲默認的0.75f
    }
	
	
	public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); //調用另一個構造方法
    }
	
	/**
     * 用指定的初始值構造一個空的HashMap
     *
     * @param  initialCapacity the initial capacity
     * @param  loadFactor      the load factor
     * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
     *         or the load factor is nonpositive
     */
	 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)  //如果大於最大值的話，就將初始值設爲最大值
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 
    }

構造方法很簡單，主要是第三個有初始化容量以及加載因子時，他的threshold屬性會調用tableSizeFor方法這個方法源碼如下：

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;
    }

這個方法的主要目的就是返回大於輸入參數且最近的2的整數次冪的數
先來分析有關n位操作部分：先來假設n的二進制爲01xxx...xxx。接着
對n右移1位：001xx...xxx，再位或：011xx...xxx
對n右移2爲：00011...xxx，再位或：01111...xxx
此時前面已經有四個1了，再右移4位且位或可得8個1
同理，有8個1，右移8位肯定會讓後八位也爲1。
綜上可得，該算法讓最高位的1後面的位全變爲1。

最後再讓結果n+1，即得到了2的整數次冪的值了。

當往集合中增加內容時，調用put方法。該方法源碼如下

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

發現先對key進行hash然後調用的putValue方法。下面看下這倆個方法

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

put時主要調用的是這個方法。

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;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            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))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//紅黑樹
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    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;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

我們從頭開始一行一行分析這段代碼。

Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; 一些定義。

第一種情況：第一次添加時還未分配table、

當我們第一次往集合中添加內容時，table爲空所以進這個if，resize方法是擴容用的，這裏是第一次擴容後的length值，resize方法後面細講。

if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;

這個if是判斷要加的key-value的keyhash後所放的table數組的位置，第一次添加，p爲null，所以進去，new 一個新的Node。

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
			
//new Node
Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        return new Node<>(hash, key, value, next);
}

將modCount加1 ，++modCount;
判斷++size時否大於threshold 如果大於 擴容調用resize方法
if (++size > threshold)
        resize();		
afterNodeAccess(e);  這個方法沒啥東西
返回，

第二種情況：當我們添加的table位置有node時，進else裏面。

Node<K,V> e; K k; //定義
//如果key的hash和node節點的hash相等，並且key，value都相等的話，直接讓e = p（node節點）
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
       e = p;
//如果p是一個紅黑樹則進這裏，紅黑樹是jdk8對HashMap新增的數據結構，更好得解決衝突問題（這次不講紅黑樹的結構變化）
else if (p instanceof TreeNode)//紅黑樹
       e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
//否則進這裏
else {
      for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
            if ((e = p.next) == null) { //當p.next == null時，
                 p.next = newNode(hash, key, value, null);直接將新創建的node放到p.next 上
            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st //判斷binCount大於 8 -1 = 7 ，如果大於的話，轉換爲紅黑樹
                 treeifyBin(tab, hash);
                 break;
            }
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                 break;
                 p = e;
      }
}		
      //這段代碼的意思就是對鏈表上的節點挨個遍歷，先看節點的next節點是否爲null 如果爲null的話，將新節點插入，然後判斷是否鏈表的長度大於7 如果大於的話，則轉變爲紅黑樹 ，在遍歷過程彙總判斷新節點的hash後的key是否有跟鏈表中的key相等，如果相等，則將鏈表中的node變爲新node。
      if (e != null) { // 如果原先鏈表有key  則將原先的value返回。
          V oldValue = e.value;
          if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
               e.value = value;
          afterNodeAccess(e);
          return oldValue;
      }

接着看resize方法 HashMap是怎麼擴容的.

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) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            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"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            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 { // preserve order
                        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) {  //高位是0
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else { //高位是1
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {  //高位是0 直接加到原位置
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {   //高位是1 放到j+oldCap位置
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

此處jdk8對HashMap擴容時有很多技巧，當擴容時可以很迅速的確定各個node節點在新的table的位置，就是if e.hash & oldCap == 0 則該節點還在原先的位置，else 則該節點在老位置+老容量的位置（oldCap）。

具體算法是這樣的。

我們使用的是2次冪的擴展(指長度擴爲原來2倍)，所以，元素的位置要麼是在原位置，要麼是在原位置再移動2次冪的位置。看下圖可以明白這句話的意思，n爲table的長度，圖（a）表示擴容前的key1和key2兩種key確定索引位置的示例，圖（b）表示擴容後key1和key2兩種key確定索引位置的示例，其中hash1是key1對應的哈希與高位運算結果。

元素在重新計算hash之後，因爲n變爲2倍，那麼n-1的mask範圍在高位多1bit(紅色)，因此新的index就會發生這樣的變化：

因此jdk8在擴展容量時不需要再像jdk7那樣重新計算hash只需要看看原來的hash值新增的那個bit是1還是0就好了，是0的話索引沒變，是1的話索引變成“原索引+oldCap”。

定義老鏈表的頭和尾節點，將高位是0的放到這個鏈表裏，
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; //定義新鏈表的頭和尾節點，將高位是1的放到這個鏈表裏。

do while 循環主要是將原先的老鏈表挨個遍歷，如果還是在原位置的話，直接放到第一個鏈表裏，如果不在原位置的話，放到新鏈表裏。最終結果是這樣，如圖：形成兩個鏈表。

最終將這兩個鏈表放到新的table裏面。

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