java8-HashMap源码分析

来源：互联网发布：铁三角msr7知乎编辑：程序博客网时间：2024/06/10 11:14

一、工作原理

HashMap采用哈希表的结构存储键值对，通过put和get方法来存储和获取对象。HashMap有两个重要参数：容量(Capacity)和负载因子(Load factor)。

transient Node<K,V>[] table; //bucket数组static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始容量 16static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //默认负载因子 0.75

这两个参数也可以通过构造方法指定：

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);    }

Capacity就是buckets的数目，也就是table.length，当bucket填充的数目（即table中元素存储的个数）大于capacity*loadfactor时就需要调整buckets的数目为当前的2倍。注意tableSizeFor方法，会把传入的initialCapacity扩大为2的整数倍，比如设置为15则被扩大为16，设置为17则被扩大为32。具体实现如下：

static final int tableSizeFor(int cap) {     int n = cap - 1;     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;    }

HashMap特征：基于Map接口实现、允许null键/值、不保证有序(比如插入的顺序)、也不保证顺序不随时间变化，非线程安全，如果需要线程安全，可使用Collections.synchronizedMap()包装成线程安全的Map。当一个线程在迭代HashMap时，其他线程对其修改，则会抛出ConcurrentModificationException（fail-fast）

二、put方法实现原理

put方法主要步骤：

调用hash(key)，对key的hashCode()做hash，(n - 1) & hash计算得到bucket位置
如果没碰撞直接放到bucket里；
如果碰撞了，以链表的形式存在bucket后；
如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD)，并且buckets长度>=MIN_TREEIFY_CAPACITY 64就把链表转换成红黑树；
如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要调用resize()扩容。

实现代码如下：

public V put(K key, V value) {                // 对key的hashCode()做hash        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为空，先初始化      if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)          n = (tab = resize()).length;      //计算hash对应的位置，null特殊处理      if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)          tab[i] = newNode(hash, key, value, null);      else {          Node<K,V> e; K k;          //如果节点已经存在就替换old value          if (p.hash == hash &&              ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))              e = p;          //bucket中是红黑树          else if (p instanceof TreeNode)              e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);          //bucket中是链表          else {              for (int binCount = 0; ; ++binCount) {                  if ((e = p.next) == null) {                      p.next = newNode(hash, key, value, null);                      //链表长度达到设定的转换为红黑树的阈值                      if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st                          //注意：这个方法并不是直接将链表转换为红黑树，如果当前buckets长度小于64，则扩容，否则将链表转换为红黑树                          treeifyBin(tab, hash);                      break;                  }                  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;      //当前容量超出 loadfactor*current capacity，则扩容      if (++size > threshold)          resize();      afterNodeInsertion(evict);      return null;  }

三、get方法实现原理

计算key的位置，直接命中bucket里的第一个节点；
如果有冲突，
若为树，则在树中通过key.equals(k)查找，O(logn)；
若为链表，则在链表中通过key.equals(k)查找，O(n)。

具体代码的实现如下：

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) {        // 直接命中第一个节点        if (first.hash == hash && // always check first node            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))            return first;        // 未命中        if ((e = first.next) != null) {            // 在树中查找            if (first instanceof TreeNode)                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);            // 在链表中查找            do {                if (e.hash == hash &&                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                    return e;            } while ((e = e.next) != null);        }    }    return null;}

四、hash方法实现原理

先上源码：

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

然后我们手算验证一下put操作：

Map<String,String> map = new HashMap<String,String>();map.put("test","1");

h=key.hashCode()    0000 0000 0011 0110 0100 0100 1001 0010h>>>16              0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 0110                ---------------------------------------------hash = h^(h>>>16)   0000 0000 0011 0110 0100 0100 1010 0100(n-1)               0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111(n-1)& hash                                            0100 = 4

然后打开debug查看一下结果：
这里写图片描述
hash方法这样设计的巧妙之出在于，将hashCode的高16位也参与到计算中，从而减少碰撞，假设hash方法使用 (n-1)&hashCode 且n - 1为15(0x1111)时，计算位置操作仅仅只有hashCode低四位参与，容易发生碰撞。

五、注意事项

在使用自定义对象作为key时应当注意：
1.覆盖equals方法必须遵从通用约定，满足自反性，对称性，传递性，一致性。
2.覆盖equals方法时始终要覆盖hashCode方法（详见《Effective JAVA 第二版》第8，9条）
3.自定义的对象的类最好是不可变类，就是说该类对象一旦创建成功，其内部的状态不会再发生改变，比如String，如果使用可变类对象作为key会发生什么呢？设想一下，当你创建一个key，并且put到HashMap 中，然后修改了key，再使用key从HashMap中执行get操作时，此时的key.hashCode()值已发生改变，很可能无法找到之前put的对象在buckets中的位置。

参考资料

Java HashMap工作原理及实现
Effective JAVA第二版

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