【集合】HashMap源码解析

HashMap实现了Map接口区别于Collecton集合的另一个大的集合分支。基于哈希表的Map接口实现，用于存放key-value形式的对象。了解它的源码实现对我们开发有很大的帮助，可以让我们从很大程度上提高程序的性能。

一、属性解读

1、初始大小为包含16个元素的数组，在new出一个hashMap时，默认会指定16个大小的空间

 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

2、最大的容量为2^30，一个HashMap可以存放2^30个元素

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

3、加载因子，当我们创建一个hashMap的实例时，开始时，内部是用一个数组来存放数据的，我们给hashMap指定的初始化大小，就是这个数组初始化的大小。但是，并不是数组多大，就会存放多少个元素。在hashMap内部实现的数组是可以根据存放数组的个数进行自动扩容的。当超过DEFAULT_LOAD_FACTOR加载因子所规定的比例时，会自动进行扩容。比如初始容量为16，那么当table数组容量达到12时，会自动进行扩容。

 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; final float loadFactor;

4、内部数组，HashMap内部是利用一个Entry

transient Entry<K,V>[] table;

5、当前数组中存放的元素的个数

 transient int size;

6、当前数组中已经存放的极限，初始为12

int threshold;

二、构造方法

提供了4个构造方法如下：

    //指定初始化容量的大小和加载因子的大小    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();    }     //指定初始化容量的大小    public HashMap(int initialCapacity) {        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);    }   //一个空的构造函数，默认初始化由JDK指定    public HashMap() {        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);//可以是一个Map类型的集合作为参数传递进去 public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);        putAllForCreate(m);    }    }

注意：在hashMap中数组的大小都是默认指定为2的n次幂，具体原因，下面put方法介绍。

三、Entry内部类的简单实现

map内部是通过一个Entry类型的数组来实现的。Entry是map内部声明的一个静态的内部类。它可以存放Key-value形式的对象。jdk1.8中将Entry对象变成了Node，但是原理上没有变。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {        //K，键值        final K key;        //V，value值        V value;        //当前entry对象的下一个entry对象，这里利用了链表的实现        Entry<K,V> next;        //hash值，通过hash算法计算所得的hash值，每一个entry对象都会有一个hash值，这个hash值可能会发生冲突，发生冲突时利用了链表来解决冲突。        int hash;        /**         * Creates new entry.         */        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {            value = v;            next = n;            key = k;            hash = h;        }        public final K getKey() {            return key;        }        public final V getValue() {            return value;        }        public final V setValue(V newValue) {            V oldValue = value;            value = newValue;            return oldValue;        }        //这里重写了equals的方法，当两个entry对象的Key值相等且value值相同时，这里并不是hashcode.则返回true        public final boolean equals(Object o) {            if (!(o instanceof Map.Entry))                return false;            Map.Entry e = (Map.Entry)o;            Object k1 = getKey();            Object k2 = e.getKey();            if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {                Object v1 = getValue();                Object v2 = e.getValue();                if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))                    return true;            }            return false;        }        public final int hashCode() {            return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^                   (value==null ? 0 : value.hashCode());        }        public final String toString() {            return getKey() + "=" + getValue();        }    }

四、put方法

//map的添加方法  public V put(K key, V value) {        if (key == null)            return putForNullKey(value);         //通过hash算法计算hash值，增大hash值的随机性，从而为寻求key值在数组中的位置做准备，可以减少位置冲突。        int hash = hash(key);        //通过计算出来的hash值和数组存放元素个数的大小来计算key值的位置。        int i = indexFor(hash, table.length);        //如果找到位置上有元素，那么开始遍历这个位置上的"桶"，这个桶是一个链表。当出现key值相同时，那么用新的value代替旧的value值        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {            Object k;            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                V oldValue = e.value;                e.value = value;                e.recordAccess(this);                return oldValue;            }        }        modCount++;        addEntry(hash, key, value, i);        return null;    }

解析：

hash算法：旨在为了增加hash值的随机性，从而利用生成的hash值与数组长度进行与运算，而计算出该key值在数组中的位置，这样做的目的是为了减少hash冲突。

jdk1.7版本的hash算法

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();default load factor).        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);    }

jdk1.8

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

注意：其实这里不需要懂散列函数的原理，只需要明白通过散列函数可以加大散列值的随机性，减少hash冲突就可以了
针对jdk1.8优化后的hash算法简单介绍：
1、收下通过h=key.hashCode()方法计算key的hashcode的值，通过计算出的hashcode的值向右移动16位，是的原有的hashcode的值的高16位变低16位，高16位则统一都变为0。
例如：

1111 1111 1111 1111 1011 0011 1111 0101
做了>>>16以后变成了：
0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111

这就是向右移动16位以后的结果了。
那么此时再与原有的hashcode做异或运算如下：

1111 1111 1111 1111 0100 1100 0000 1010

这里需要简单了解一下异或运算^
异或运算

相同为0，相异为1
0^0=0;
1^1=0;
0^1=1;
1^0=1
这样做的好处是，可以将hashcode高位和低位的值进行混合做异或运算，而且混合后，低位的信息中加入了高位的信息，这样高位的信息被变相的保留了下来。掺杂的元素多了，那么生成的hash值的随机性会增大。

2、int i = indexFor(hash, table.length);方法解析
在做完随机取值后，需要根据生成的随机值为key值在数组中分配一个位置。通常，我们可以直接取模来实现。但是考虑到取模运算效率太低。jdk采用了与运算来实现。会提高程序性能。

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

位与运算

两个都是1才为1，其余全是0,只要有一个操作数为0结果就是0
1&1=1
1&0=0
0&0=0
0&1=0

根据需要，假如初始化的map容量是16，那么我们需要通过一个算法得出来的值是在1——16之间的，这样才符合数组空间存放元素的要求。那么解决方案来了，jdk通过了逻辑与&运算来实现如下：

hash 1111 1111 1111 1111 0100 1100 0000 1010
length-1 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111
结果： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010

我们可以发现，当利用(数组长度-1)与hash值进行与运算时，由于与运算的特性，导致，高于(数组长度-1)位数的值全部为0(低四位)，只有在数组长度的四个二进制位中才会产生结果，所以最终产生的值一定是在0——15之间的，也就是对应的初始化数组下标的位置。因此。通过与运算可以代替%运算。同时还可以提高程序的性能。
那么问题来了，为什么数组长度要为2的n次方呢？假如，数组长度不是2的n次方，假设为15或14都是可以的，那么在数组长度的二进制位中就不能保证全为1，这样计算出来的位置的后四位就会存在某一位总是为0的情况，导致数组空间利用不足的问题。
具体如下，加入数组为15那么与运算之后的结果如下：

hash 1111 1111 1111 1111 0100 1100 0000 1010
length-1 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1110
结果： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010

链表结构的体现

那么纵观put方法，我们会发现，在添加元素时，会出现在table[i]位置进行遍历，这里便是利用了链表的结构来存储元素。
在put时，由于根据的是hashcode来put元素的，那么只要hashcode不一样，那么key值是一定不一样的。那么位置也是不一样的。所以在遍历时，只需要比较链表（桶，相同hashcode和相同的位置）c处的key值是不是相同就可以了。

同时这里需要注意的是：新添加的对象如果该位置已经存在对象了，且空间不需要扩容的时候，会将其放在数组中，将新对象的next节点指向原来该位置的对象。这就是addEntry方法所体现的功能了。

五、addEntry方法

  void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {        //如果已经存在的数组的长度>=临界值，则进行扩容，扩容为原来的倍。这里还需要将原来的对象复制到新的数组里面            resize(2 * table.length);            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);        }        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);    }  void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);        size++;    }

这里不再详细解析这个方法了。需要注意的是，当size达到临界值时，会进行扩容。扩容为原来数组的2倍。但是并不是简单的直接将原来数据的容量增大。因为数组元素的个数一旦确定是不能增加的。所以扩容是新建了一个Entry类型的数组，增加了容量。同时会将原来数组中的值拷贝过去，这是一个很耗性能的活儿。所以当我们知道要存放数组元素的个数时，最好事先规定好大小，以免最后还需要程序内部进行扩容。
那么这里有一个问题：加入我需要存放1000个元素，我应该初始化为多大的数组呢？
因为1000个元素，只能占用数组的3/4，那么数组最少应该为1000/0.75=1334个，而HashMap要求初始化为2的n次方的大小，所以我们需要初始化为2^11=2048。
最后get方法其实和put的方法是差不多的。都是需要通过hash算法计算出在数组的位置，然后进行链表遍历。
以上就是关于hashMap中关键方法的源码解析。