JDK8中HashMap源碼精讀

1 字段

1.1 字段解讀

//默認容量等於16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默認加載因子，可以自己調節
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
final float loadFactor;

//鏈表轉紅黑樹閾值，當>=8時候，轉化爲紅黑樹
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//樹還原爲鏈表的閾值，當在擴容（resize（））時（HashMap的數據存儲位置會重新計算），在重新計算存儲位置後，當原有的紅黑樹內數量 <= 6時，則將 紅黑樹轉換成鏈表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//轉化爲樹的最小容量，當哈希表中的容量 > 該值時，才允許將鏈表 轉換成紅黑樹
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//hashMap的數組，當第一次使用的時候初始化，長度永遠是2的冪次方
transient Node<K,V>[] table;
/** 
* The number of times this HashMap has been structurally modified 
* Structural modifications are those that change the number of mappings in 
* the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g., * rehash).  This field is used to make iterators on Collection-views of * the HashMap fail-fast.  (See ConcurrentModificationException). 
*/
//map結構被修改的次數，比如新增，刪除，擴容等操作
transient int modCount;
//進行擴容的閾值，容量*負載因子即是該值，當大於該值時進行擴容
int threshold;

1.2 待扣細節

這幾個字段會有幾個面試問題：參見文章《JDK8中HashMap源碼細節死扣》

• 爲什麼負載因子默認是0.75？
• 爲什麼鏈表長度>=8纔會樹化？
• 爲什麼容量必須是2的冪次方？
• modCount是用來幹嘛的？
• Map容量爲什麼不能爲MAX_VALUE

2 內部類

2.1 Node<K,V>

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    //key的哈希值
    final int hash;    
    final K key;    
    V value;    
    //下一個節點
    HashMap.Node<K,V> next;    
    Node(int hash, K key, V value, HashMap.Node<K,V> next) {       
        this.hash = hash;       
        this.key = key;       
        this.value = value;        
        this.next = next;   
    }
  }

2.2 TreeNode<K,V>

final class TreeNode extends LinkedHashMap.Entry {
        TreeNode parent;  // red-black tree links
        TreeNode left;
        TreeNode right;
        TreeNode prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node next) {}
        // 返回當前節點的根節點 
        final TreeNode root() { 
          for (TreeNode r = this, p;;) { 
            if ((p = r.parent) == null) 
                return r; 
            r = p; 
        } 
    }
 }

3 初始化

3.1 源碼

有多個初始化方法，這裏就選一個

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {    
    if (initialCapacity < 0)        
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);   
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)    
        //超過最大容量取最大容量
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;    
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))       
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);   
    this.loadFactor = loadFactor;    
    //tableSizeFor(initialCapacity) 作用？
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
 }
 
//保證函數返回值是大於等於給定參數initialCapacity最小的2的冪次方的數值//比如傳進來是15，那麼得到的是16//傳進來是17，那麼大於它的最小2次冪是32，所以得到32
static final int tableSizeFor(int cap) {
    //給定的cap 減 1,爲了避免參數cap本來就是2的冪次方,這樣一來,經過後續操作，cap將會變成2 * cap
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n = MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

3.2 待扣細節

這裏運算不做說明，參見文章《JDK8中HashMap源碼細節死扣》

4 put(key，value)

4.1 源碼

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

//key的哈希算法
static final int hash(Object key) {    
    int h;    
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        Node[] tab; //map的數組
        Node p; 
        int n, i;//n是數組的長度，i是當前要進入put的元素所在數組的index
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//如果數組爲null或者長度爲0，則進行初始化 ，相當於懶加載，第一次put的 時候進行初始化    
            //這裏就是初始化的resize()擴容
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //tab[i]沒有Node，也就是沒有hash衝突，則new一個Node，並複製到數組
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {//tab[i]不是空，也就是hash衝突了
            Node e; K k;
            //如果key一樣，則覆蓋節點
            if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//如果該節點是紅黑樹的節點    
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);         
            else {//不是紅黑樹，是鏈表
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                     //從頭開始遍歷鏈表
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //遍歷到最後一個Node，則新建一個Node，插入到尾部，上一個Node的next指針指向新的Node
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                            //當鏈表長度>=8，進行轉化爲紅黑樹
                            //當hash表容量小於最小轉紅黑樹容量（64），不轉變紅黑樹，只擴容  
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //遍歷過程中，發下key一樣，則跳出循環
                    if (e.hash == hash &&  ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;               
                    p = e;
                }
            }
            //如果key原來是存在的，則返回原來的舊值
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value；
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    //賦值爲新值
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        //走到這裏，代表原先map中不存在該key值
        //修改次數+1，如果key是存在的，在上面已經return了，不算做修改次數+1
        ++modCount;
        //當容器容量大於閾值，進行擴容
        //在java8中，擴容的時機是插入值後，再擴容，再java7中，如果大於閾值，是先擴容再插入。
        if (++size > threshold)
            //擴容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        //因爲key不存在，所以原先是沒有值的，返回null
        return null;
    }
    
    
    
/** 
* Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
* table is too small, in which case resizes instead. 
*/
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {   
    int n, index; Node<K,V> e;   
    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)     //當hash表容量小於最小轉紅黑樹容量（64），不轉變紅黑樹，只擴容   
        resize();    
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {       
        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;      
        do {            
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);            
                if (tl == null)               
                    hd = p;            
                else {                
                    p.prev = tl;               
                    tl.next = p;           
                }            
                tl = p;       
        } while ((e = e.next) != null);       
        if ((tab[index] = hd) != null)           
            hd.treeify(tab);    
        }
}

4.2 流程圖

上面大致邏輯如下圖：

4.3 待扣細節

• key如何hash計算？
• 根據key的hashi值，數組小標如何確定的？tab[(n - 1) & hash]

參見文章《JDK8中HashMap源碼細節死扣》

5 resize()

5.1 源碼

/**
 * 擴容有2種使用情況：1.初始化哈希表（第一次put操作） 2.當前數組容量達到擴容閾值
*/
final Node[] resize() {
        Node[] oldTab = table;//拷貝舊數組
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//舊map容量
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        // 針對情況2
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                //擴容前的數組容量超過最大值，則不再擴容
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            // 針對情況2：若無超過最大值，就擴充爲原來的2倍
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                //newCap設置爲oldCap的2倍並小於MAXIMUM_CAPACITY，且大於默認值, 新的threshold增加爲原來的2倍
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        // 針對情況1：初始化哈希表
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            // threshold>0, 將threshold設置爲newCap,所以要用tableSizeFor方法保證threshold是2的冪次方
            newCap = oldThr;
        else {  // zero initial threshold signifies using defaults
            // 默認初始化
            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"})
            // 新生成一個table數組
            Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            // oldTab 複製到 newTab，遍歷數組
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node e; 
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                       // 如果只有一個節點,則直接賦值
                       //爲什麼要重新Hash呢？因爲長度擴大以後，Hash的規則也隨之改變。
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        // e爲紅黑樹的情況
                        ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        //之所以定義兩個頭兩個尾對象,是由於鏈表中的元素的下標在擴容後,要麼是原下標+oldCap,要麼不變
                        Node loHead = null, loTail = null;
                        Node hiHead = null, hiTail = null;
                        Node next;
                        do {
                            next = e.next;
                            //e.hash & oldCap，計算下標是否需要移動
                            // 下標沒有改變
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    //第一個節點
                                    loHead = e;
                                else
                                    //加入到尾部
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            // 原下標 + oldCap
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        // 原下標對應的鏈表
                        if (loTail != null) {
                            //尾部節點next設置爲null
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        // 原索引+oldCap對應的鏈表
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

5.2 待扣細節

• 容量爲啥有最大限制？
• 擴容時候，下標是否需要移動怎麼判定的？

參見文章《JDK8中HashMap源碼細節死扣》

6 get(key)

6.1 源碼

 public V get(Object key) {
    Node e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
 }

final Node getNode(int hash, Object key) {
    Node[] tab; Node 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 總是檢查第一個Node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            //命中key直接返回
            return first;
        //走第一個Node沒有命中key的邏輯
        if ((e = first.next) != null) {
            //如果大於一個Node
            if (first instanceof TreeNode)
                //如果是紅黑樹，則從樹中去查找
                return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
            //走鏈表查詢邏輯，遍歷鏈表    
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

7 總結

在Java8中，HashMap是一個數組+鏈表+紅黑樹的數據結構，如圖所示。
在第一次put操作時候進行首次擴容，數組長度即爲最大容量，當put一個元素時候，會根據key進行hash計算定位到數組下標，如果有hash衝突的話則進行鏈表插入（尾插），當鏈表長度大於8的時候，會轉變爲紅黑樹（注意：當hashmap最大容量還沒達到64時候，不會樹化，而是擴容）。當元素容量達到閾值時候，則進行擴容，是在插入元素後，才進行擴容，而不是先擴容再插入。擴容是按照原容量的兩倍進行擴容，會根據key的hash值判斷是留在原下標位置，還是原下標+擴容前容量的下標位置。