Java源代碼閱讀——HashMap實現原理

一 概述

public class HashMap<K,V>  extends AbstractMap<K,V>  implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

基於哈希表的Map接口的實現。此實現提供所有可選的映射操作，並允許使用null值和null鍵。此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。此實現不是同步的。如果多個線程同時訪問一個哈希映射，而其中至少一個線程從結構上修改了該映射，則它必須 保持外部同步。

二 構造函數

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默認大小16

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//2的30次方

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//默認裝填因子0.75

transient Entry<K,V>[] table;

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);

        // Find a power of 2 >= initialCapacity
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;

        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        table = new Entry[capacity];
        useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
                (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
        init();
    }

    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    public HashMap() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

hash表的裝填因子=表中填入記錄數/表的長度。
分析第一個構造函數：

int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
    capacity <<= 1;

保證capacity的大小爲大於且最接近initialCapacity的2的次冪。原因後續討論。

三 indexFor()函數

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

採用&運算尋找索引，先看indexFor()的使用：

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        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;
}

hash()函數：

final int hash(Object k) {
        int h = 0;
        if (useAltHashing) {
            if (k instanceof String) {
                return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
            }
            h = hashSeed;
        }

        h ^= k.hashCode();

        // 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);
 }

由上述調用邏輯可以看出，給定一個key尋找它所對應entry的過程爲：

（1）計算hash(key)。

（2）計算indexFor(hash(key),table.length),即爲該條目在table[]中的索引。

（3）遍歷該索引上的鏈表找到==或equal key的entry返回。

四 capacity爲何要是2的次方（個人理解）

（1）當capacity=2的次方時：h&(capacity-1)==h%capacity，例：

h=7,capacity=8        h%capacity=7,h&(7)=0111&0111=0111;

h=9,capacity=8        h%capacity=1,h&(7)=1001&0111=0001;

於是，可用位運算代替模運算大大加快運算速度。

（2）取capacity爲2的次方能提高存儲空間利用率，減少衝突。例：

h=9,capacity=8       h%capacity=1,h&(7)=1001&0111=0001;

h=8,capacity=8       h%capacity=0,h&(7)=1000&0111=0000;

h=9,capacity=7       h%capacity=2,h&(6)=1001&0110=0000;

h=8,capacity=7       h%capacity=1,h&(6)=1000&0110=0000;

由上可見當capacity爲奇數時，capacity-1位偶數，其二進制最低爲必爲0，與h進行與運算後最低位必爲0，意味着只有編號爲偶數的index纔有可能存儲數據，浪費了存儲空間，增加衝突概率；而capacity爲2的n次方時，capacity-1的二進制最低位爲1，進行&運算後最低位爲0或1都有可能，不存在上述缺陷。

五 爲什麼不直接用hashcode()（個人理解）

hashcode()爲32位，而capacity默認爲16位，如果兩個對象的hashcode（）後16位相同，與16位的capacity-1進行&後得到相同的結果，產生衝突，所以通過hash（）函數進行處理。

六 resize()

void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        boolean oldAltHashing = useAltHashing;
        useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() &&
                (newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
        boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;
        transfer(newTable, rehash);
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

（1）何時擴容（resize）?

當HashMap中的元素個數超過數組大小*loadFactor時。

（2）如何擴容？

容量變爲原來的兩倍，然後重新計算每個元素在數組中的位置，這是一個非常消耗性能的操作，所以如果我們已經預知HashMap中元素的個數，那麼預設元素的個數能夠有效的提高HashMap的性能。

七 Fail-Fast機制

HashMap不是線程安全的，如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了map，那麼將拋出ConcurrentModificationException異常。判斷是否修改了map是通過modCount（修改次數）域，對HashMap內容的修改都將增加這個值，那麼在迭代器初始化過程中會將這個值賦給迭代器的expectedModCount。

在迭代過程中，判斷modCount和expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已經有其他線程修改了Map。

一般來說，存在非同步的併發修改時不可能作出任何的保證。Fail-Fast盡最大努力拋出 ConcurrentModificationException。因此，編寫依賴於此異常的程序的做法是錯誤的，正確做法是：迭代器的快速失敗行爲應該僅用於檢測程序錯誤。