Java容器框架（四）--HashMap實現原理

1、簡介

本篇文章主要介紹HashMap的實現原理，HashMap可以說是map家族中最重要的類，也是我們平常使用過程中最常見的類。下面我們來看看HashMap的整個類結構：

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

2、整體數據結構

在jdk1.8之前，HashMap是基於數組+鏈表的數據結構來保存數據的，在jdk1.8中對此做了優化，HashMap是基於數組+鏈表+紅黑樹的數據結構來保存數據；我們知道紅黑樹的查找比鏈表查找速度要快很多，因此到鏈表長度達到一定值後，鏈表結構會變爲紅黑樹的結構。下圖是基於jdk1.8來進行分析的：

3、具體代碼實現

3.1 關鍵變量

 // 初始容量爲 16
 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

 // 最大容量
 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

 // 負載因子默認值
 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 
 // 桶上的鏈表長度大於等於8時，鏈表轉化成紅黑樹
 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

 // 桶上的紅黑樹大小小於等於6時，紅黑樹轉化成鏈表
 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

 // 當數組容量大於 64 時，鏈表纔會轉化成紅黑樹
 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

 //存放數據的數組
 transient Node<K,V>[] table;

 //鏈表的節點
 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> 
 
 //紅黑樹的節點
 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> 

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
}

通過如上變量，我們可以知道HashMap保存的數據量是有限制的，不能無限制保存數據。

3.2  put(K key, V value)

代碼細節如下：

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

/**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
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; // 如果數組爲空，使用 resize 方法初始化
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
             // 如果當前索引位置是空的，直接生成新的節點在當前索引位置上
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
             // e 當前節點的臨時變量
            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)
                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
                            // 當鏈表的長度大於等於 8 時，鏈表轉紅黑樹
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                     // 鏈表遍歷過程中，發現有元素和新增的元素相等，結束循環
                    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;
    }

4、總結

HashMap 的內容雖然較多，但大多數 api 都只是對數組 + 鏈表 + 紅黑樹這種數據結構進行封裝而已，本篇文章主要是從增加元素的方法入手，其他api相對比較簡單，想了解更多，可以前往 github 上查看更多源碼。