BAT面試必問HashMap源碼分析

HashMap 簡介

HashMap 主要用來存放鍵值對，它基於哈希表的Map接口實現，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由 數組+鏈表 組成的，數組是 HashMap 的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的（“拉鍊法”解決衝突）.JDK1.8 以後在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲 8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減少搜索時間。

底層數據結構分析

JDK1.8之前

JDK1.8 之前 HashMap 底層是 數組和鏈表 結合在一起使用也就是 鏈表散列。HashMap 通過 key 的 hashCode 經過擾動函數處理過後得到 hash 值，然後通過 (n - 1) & hash 判斷當前元素存放的位置（這裏的 n 指的是數組的長度），如果當前位置存在元素的話，就判斷該元素與要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的話，直接覆蓋，不相同就通過拉鍊法解決衝突。

所謂擾動函數指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是擾動函數是爲了防止一些實現比較差的 hashCode() 方法 換句話說使用擾動函數之後可以減少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源碼:

JDK 1.8 的 hash方法 相比於 JDK 1.7 hash 方法更加簡化，但是原理不變。

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static final int hash(Object key) {   int h;   // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode   // ^ ：按位異或   // >>>:無符號右移，忽略符號位，空位都以0補齊   return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }

對比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源碼.

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static int hash(int h) {     // This function ensures that hashCodes that differ only by     // constant multiples at each bit position have a bounded     // number of collisions (approximately 8 at default load factor).       h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); }

相比於 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能會稍差一點點，因爲畢竟擾動了 4 次。

所謂 “拉鍊法” 就是：將鏈表和數組相結合。也就是說創建一個鏈表數組，數組中每一格就是一個鏈表。若遇到哈希衝突，則將衝突的值加到鏈表中即可。

JDK1.8之後

相比於之前的版本，jdk1.8在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減少搜索時間。

類的屬性：

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public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {     // 序列號     private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;        // 默認的初始容量是16     static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;       // 最大容量     static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;     // 默認的填充因子     static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     // 當桶(bucket)上的結點數大於這個值時會轉成紅黑樹     static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;     // 當桶(bucket)上的結點數小於這個值時樹轉鏈表     static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;     // 桶中結構轉化爲紅黑樹對應的table的最小大小     static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;     // 存儲元素的數組，總是2的冪次倍     transient Node<k,v>[] table;     // 存放具體元素的集     transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;     // 存放元素的個數，注意這個不等於數組的長度。     transient int size;     // 每次擴容和更改map結構的計數器     transient int modCount;       // 臨界值 當實際大小(容量*填充因子)超過臨界值時，會進行擴容     int threshold;     // 填充因子     final float loadFactor; }

• loadFactor加載因子

loadFactor加載因子是控制數組存放數據的疏密程度，loadFactor越趨近於1，那麼 數組中存放的數據(entry)也就越多，也就越密，也就是會讓鏈表的長度增加，load Factor越小，也就是趨近於0，

loadFactor太大導致查找元素效率低，太小導致數組的利用率低，存放的數據會很分散。loadFactor的默認值爲0.75f是官方給出的一個比較好的臨界值。

• threshold

threshold = capacity * loadFactor，當Size>=threshold的時候，那麼就要考慮對數組的擴增了，也就是說，這個的意思就是 衡量數組是否需要擴增的一個標準。

Node節點類源碼：

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// 繼承自 Map.Entry<K,V> static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {        final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中時用來與其他元素hash值比較        final K key;//鍵        V value;//值        // 指向下一個節點        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; }         // 重寫hashCode()方法         public final int hashCode() {             return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);         }           public final V setValue(V newValue) {             V oldValue = value;             value = newValue;             return oldValue;         }         // 重寫 equals() 方法         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;         } }

樹節點類源碼：

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static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {         TreeNode<K,V> parent;  // 父         TreeNode<K,V> left;    // 左         TreeNode<K,V> right;   // 右         TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion         boolean red;           // 判斷顏色         TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {             super(hash, key, val, next);         }         // 返回根節點         final TreeNode<K,V> root() {             for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {                 if ((p = r.parent) == null)                     return r;                 r = p;        }

HashMap源碼分析

構造方法

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// 默認構造函數。 public More ...HashMap() {     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted  }    // 包含另一個“Map”的構造函數  public More ...HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {      this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;      putMapEntries(m, false);//下面會分析到這個方法  }    // 指定“容量大小”的構造函數  public More ...HashMap(int initialCapacity) {      this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  }    // 指定“容量大小”和“加載因子”的構造函數  public More ...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);  }

putMapEntries方法：

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final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {     int s = m.size();     if (s > 0) {         // 判斷table是否已經初始化         if (table == null) { // pre-size             // 未初始化，s爲m的實際元素個數             float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;             int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?                     (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);             // 計算得到的t大於閾值，則初始化閾值             if (t > threshold)                 threshold = tableSizeFor(t);         }         // 已初始化，並且m元素個數大於閾值，進行擴容處理         else if (s > threshold)             resize();         // 將m中的所有元素添加至HashMap中         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);         }     } }

put方法

HashMap只提供了put用於添加元素，putVal方法只是給put方法調用的一個方法，並沒有提供給用戶使用。

對putVal方法添加元素的分析如下：

• ①如果定位到的數組位置沒有元素 就直接插入。

• ②如果定位到的數組位置有元素就和要插入的 key 比較，如果key相同就直接覆蓋，如果 key 不相同，就判斷 p 是否是一個樹節點，如果是就調用 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value) 將元素添加進入。如果不是就遍歷鏈表插入。

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public V put(K key, V value) {     return putVal(hash(key), key, value, false, true); }   final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,                    boolean evict) {     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;     // table未初始化或者長度爲0，進行擴容     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)         n = (tab = resize()).length;     // (n - 1) & hash 確定元素存放在哪個桶中，桶爲空，新生成結點放入桶中(此時，這個結點是放在數組中)     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);     // 桶中已經存在元素     else {         Node<K,V> e; K k;         // 比較桶中第一個元素(數組中的結點)的hash值相等，key相等         if (p.hash == hash &&             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                 // 將第一個元素賦值給e，用e來記錄                 e = p;         // hash值不相等，即key不相等；爲紅黑樹結點         else if (p instanceof TreeNode)             // 放入樹中             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);         // 爲鏈表結點         else {             // 在鏈表最末插入結點             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {                 // 到達鏈表的尾部                 if ((e = p.next) == null) {                     // 在尾部插入新結點                     p.next = newNode(hash, key, value, null);                     // 結點數量達到閾值，轉化爲紅黑樹                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st                         treeifyBin(tab, hash);                     // 跳出循環                     break;                 }                 // 判斷鏈表中結點的key值與插入的元素的key值是否相等                 if (e.hash == hash &&                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                     // 相等，跳出循環                     break;                 // 用於遍歷桶中的鏈表，與前面的e = p.next組合，可以遍歷鏈表                 p = e;             }         }         // 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結點         if (e != null) {             // 記錄e的value             V oldValue = e.value;             // onlyIfAbsent爲false或者舊值爲null             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)                 //用新值替換舊值                 e.value = value;             // 訪問後回調             afterNodeAccess(e);             // 返回舊值             return oldValue;         }     }     // 結構性修改     ++modCount;     // 實際大小大於閾值則擴容     if (++size > threshold)         resize();     // 插入後回調     afterNodeInsertion(evict);     return null; }

我們再來對比一下 JDK1.7 put方法的代碼

對於put方法的分析如下：

• ①如果定位到的數組位置沒有元素 就直接插入。

• ②如果定位到的數組位置有元素，遍歷以這個元素爲頭結點的鏈表，依次和插入的key比較，如果key相同就直接覆蓋，不同就採用頭插法插入元素。

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public V put(K key, V value)     if (table == EMPTY_TABLE) {     inflateTable(threshold); }      if (key == null)         return putForNullKey(value);     int hash = hash(key);     int i = indexFor(hash, table.length);     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { // 先遍歷         Object k;         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {             V oldValue = e.value;             e.value = value;             e.recordAccess(this);             return oldValue;         }     }       modCount++;     addEntry(hash, key, value, i);  // 再插入     return null; }

get方法

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public V get(Object key) {     Node<K,V> e;     return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; }   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) {         // 數組元素相等         if (first.hash == hash && // always check first node             ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))             return first;         // 桶中不止一個節點         if ((e = first.next) != null) {             // 在樹中get             if (first instanceof TreeNode)                 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);             // 在鏈表中get             do {                 if (e.hash == hash &&                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                     return e;             } while ((e = e.next) != null);         }     }     return null; }

resize方法

進行擴容，會伴隨着一次重新hash分配，並且會遍歷hash表中所有的元素，是非常耗時的。在編寫程序中，要儘量避免resize。

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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) {         // 超過最大值就不再擴充了，就只好隨你碰撞去吧         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {             threshold = Integer.MAX_VALUE;             return oldTab;         }         // 沒超過最大值，就擴充爲原來的2倍         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 {         signifies using defaults         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);     }     // 計算新的resize上限     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) {         // 把每個bucket都移動到新的buckets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 {                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;                     Node<K,V> next;                     do {                         next = e.next;                         // 原索引                         if ((e.hash & oldCap) == 0) {                             if (loTail == null)                                 loHead = e;                             else                                 loTail.next = e;                             loTail = e;                         }                         // 原索引+oldCap                         else {                             if (hiTail == null)                                 hiHead = e;                             else                                 hiTail.next = e;                             hiTail = e;                         }                     } while ((e = next) != null);                     // 原索引放到bucket裏                     if (loTail != null) {                         loTail.next = null;                         newTab[j] = loHead;                     }                     // 原索引+oldCap放到bucket裏                     if (hiTail != null) {                         hiTail.next = null;                         newTab[j + oldCap] = hiHead;                     }                 }             }         }     }     return newTab; }

HashMap常用方法測試

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package map;   import java.util.Collection; import java.util.HashMap; import java.util.Set;   public class HashMapDemo {       public static void main(String[] args) {         HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();         // 鍵不能重複，值可以重複         map.put("san", "張三");         map.put("si", "李四");         map.put("wu", "王五");         map.put("wang", "老王");         map.put("wang", "老王2");// 老王被覆蓋         map.put("lao", "老王");         System.out.println("-------直接輸出hashmap:-------");         System.out.println(map);         /**          * 遍歷HashMap          */         // 1.獲取Map中的所有鍵         System.out.println("-------foreach獲取Map中所有的鍵:------");         Set<String> keys = map.keySet();         for (String key : keys) {             System.out.print(key+"  ");         }         System.out.println();//換行         // 2.獲取Map中所有值         System.out.println("-------foreach獲取Map中所有的值:------");         Collection<String> values = map.values();         for (String value : values) {             System.out.print(value+"  ");         }         System.out.println();//換行         // 3.得到key的值的同時得到key所對應的值         System.out.println("-------得到key的值的同時得到key所對應的值:-------");         Set<String> keys2 = map.keySet();         for (String key : keys2) {             System.out.print(key + "：" + map.get(key)+"   ");           }         /**          * 另外一種不常用的遍歷方式          */         // 當我調用put(key,value)方法的時候，首先會把key和value封裝到         // Entry這個靜態內部類對象中，把Entry對象再添加到數組中，所以我們想獲取         // map中的所有鍵值對，我們只要獲取數組中的所有Entry對象，接下來         // 調用Entry對象中的getKey()和getValue()方法就能獲取鍵值對了         Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();         for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {             System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());         }           /**          * HashMap其他常用方法          */         System.out.println("after map.size()："+map.size());         System.out.println("after map.isEmpty()："+map.isEmpty());         System.out.println(map.remove("san"));         System.out.println("after map.remove()："+map);         System.out.println("after map.get(si)："+map.get("si"));         System.out.println("after map.containsKey(si)："+map.containsKey("si"));         System.out.println("after containsValue(李四)："+map.containsValue("李四"));         System.out.println(map.replace("si", "李四2"));         System.out.println("after map.replace(si, 李四2):"+map);     }   }