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前言
HashMap在開發中非常常用，剛好最近有時間分析HashMap，本質上HashMap是數組加上單向鏈表組合的。下面就簡單的分析下HashMap。本文基於JDK1.8
一.HashMap構造函數
// 1.構造一個初始容量爲initialCapacity，負載因子爲0.75的空的HashMap
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 2.構造一個空的初始容量爲initialCapacity，負載因子爲loadFactor的HashMap
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);
}
// 3.無參構造函數，默認負載因子爲0.75
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
// 4.其實就是把傳入的HashMap的數據傳入到新的HashMap
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
這麼多的構造函數主要關注下這個構造函數
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);
}
前面的各種判斷是避免一些瞎操作，傳入一些不合規的參數，主要看tableSizeFor函數。
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;// 防止cap已經是2的冪時，操作
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;
}
這個函數的作用是返回一個比給定整數大且最接近的2的冪次方整數，這裏也說明HashMap的容量必須是2的冪次方。關於n的>>>操作可以參考這篇文章一文讀懂HashMap總之是爲了進行擴容，同時擴容的大小必須是2的冪次方。那麼爲啥是2的冪次方後面會給出解釋。
二.Node數據
在研究put之前看下Node，Node做爲HashMap中重要的數據。我們來看下它的結構。
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;
}
}
可以看到，Node是實現自Map.Entry。其中，key和value就是你通過put傳入的key和value。hash是通過key值計算出來的哈希值。next則是指向下一個節點Node的指針，既然已經知道了Node，那麼接下來看下put。
三.put方法
transient Node<K,V>[] table;
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;
// 第一部分
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 第二部分
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 第三部分
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
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;
}
}
// 第四部分
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;
}
put方法調用了putVal，putVal有五個值其中比較重要的是key，value，hash三個值。首先看下hash函數。
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
從代碼上可以看出，hash值是根據key的hashCode通過位移和異或計算出來的。首先看下異或，異或計算原則是"同(相同)爲0(假)，異(不同)爲1(真)"。hash值到底是怎麼計算？
1.取出key的hashCode
2.hashCode右移16位
3.再和之前的hashCode異或操作。
PS:在Java中如果想表示二進制可以在數字前面加0b。
通過上面的操作，最終計算出相對隨機性的hash值。
第一部分
這一部分是如果tab爲null，或者tab的長度爲0就創建一個Node數組，如何創建Node數組主要是看resize方法。
resize
final Node<K,V>[] resize() {
// 保存當前table
Node<K,V>[] oldTab = table;
// 保存當前table的容量
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
// 保存當前閾值
int oldThr = threshold;
// 初始化新的table容量和閾值
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 如果當前table大於MAXIMUM_CAPACITY，更新閥值是Integer.MAX_VALUE
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 如果當前容量兩倍小於MAXIMUM_CAPACITY且大於等於默認值
// 則擴容新閥值爲當前閥值的兩倍。
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
// 當前閥值大於0，則當前閥值賦給新的table容量，否則計算一個新閥值
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);
}
// 新閥值等於0就生成一個新閥值
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oldTab的值放到newTab中
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 若該節點沒有鏈表，則通過hash & (newCap - 1)定位賦值
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
// 若該節點是TreeNode，則做紅黑樹操作
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
// 若該節點有鏈表則把舊節點的鏈表移到新節點的鏈表中
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) {
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);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
通過上面的代碼分析可以知道，首先創建一個通過判斷得到Node數組。同時，把舊Node數組的數據放到新Node數組中。分析到這裏也知道了，在HashMap執行一次put的時候HashMap就經歷一次擴容。
第二部分
這一部分通過(n - 1) & hash定位table數組的位置，如果爲null，就在該位置上賦值Node。這一部分着重講一下 (n - 1) & hash。
(n - 1) & hash
1.爲什麼一定是2的冪次方？
因爲擴容的時候是通過左移<<來計算的，就相當於乘以，所以其長度總是2的冪次方。而之所以用左移是因爲計算更加有效率。
2.爲什麼(n - 1) & hash
如果長度是2的冪次方，那麼這個數肯定是一個偶數，而偶數的二進制數的最後一位是0。如果與hash值相與，那麼最後一位總是0，那麼數組裏面只有偶數位置有值，所以決定了HashMap的數組長度不能是奇數。長度如果是偶數，減1之後變成奇數，奇數的二進制數的最後一位是1，與hash值相與，最終結果是看hash值，可能是一個偶數，也可能是一個奇數。這樣可以保證Node數組每個節點都能被賦值。
下面我們看下代碼來加深下理解：
int a = 6;
// 結果110
System.out.println(Integer.toBinaryString(a));
int b = 5;
// 結果101
System.out.println(Integer.toBinaryString(b));
從代碼可以看出偶數的二進制最後一位是0，奇數的最後一位是1。從代碼可以看出HashMap就是通過自身長度與key的hash值做邏輯與，而得到數組中的地址。這樣做的話，如果有兩個一樣的hash值該怎麼處理呢？接下來我們來看第三部分代碼。
第三部分
緊接上面的分析，如果通過(n - 1) & hash得到的數組值不爲null，那麼就有三種可能：
- 可能新值和舊值是同一值
- 可能put的值是TreeNode，那麼需要做紅黑樹處理
- 新值的位置和舊值位置一致，或者說發生了hash碰撞
(1)新舊值一致
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
直接賦值覆蓋舊值，注意這裏需要判斷key是否一致
(2)節點是TreeNode
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
如果節點是TreeNode，就調用TreeNode的putTreeVal方法。
(3)hash碰撞
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
///鏈表的尾端也沒有找到key值相同的節點，則生成一個新的Node,
//並且判斷鏈表的節點個數是否大於8，若是，則轉換成紅黑樹。
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//鏈表長度超過了8就轉換成紅黑樹
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;
}
}
如果發生hash碰撞，首先判斷當前數組節點的next是否爲null，如果爲null就在該數組節點下面掛一個。同時，鏈表的長度大於8就轉成紅黑樹。
第四部分
// 如果e不爲空就替換舊的oldValue值
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// 重要代碼
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
注意到modCount這個變量，這個變量主要是用到Iterator迭代器中，它的作用就是判斷集合在迭代的時候是否對數據做增刪操作
四.get方法
實際上知道了如何put數據，也基本知道該如何get數據了。
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
// 通過hash函數計算key的哈希值，再調用getNode方法
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;
// 判斷table不爲null，table的長度不爲0。
// 通過(n - 1) & hash取出數組對於的數據，同時判斷是否爲null
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 如果hash和key的值都相等，那就取該value值
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 如果上面的邏輯找不到，那麼開始考慮單向鏈表
if ((e = first.next) != null) {
// 類型是TreeNode，那麼通過紅黑樹算法查找
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 查找鏈表中的數據，hash和key相等代表查找到該數據
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 沒有查到就返回null
return null;
}
總結
到目前爲止，完成了HashMap代碼的分析，從代碼分析可以看出來，實際上HashMap是通過數組加單向鏈表來做數據存儲的，HashMap每次put的時候都會擴容一次，並且保證容量是2的冪次方。
參考文章：
一文讀懂HashMap
圖解HashMap原理