[Java 8 HashMap 詳解系列] 文章目錄
1.HashMap 的存儲資料結構
2.HashMap 中 Key 的 index 是怎樣計算的?
3.HashMap 的 put() 方法執行原理
4.HashMap 的 get() 方法執行原理
5.HashMap 的 remove() 方法執行原理
6.HashMap 的擴容 resize() 原理
7.HashMap 中的紅黑樹原理
1.HashMap 的存儲資料結構
為什麼使用 Node<K,V>[] 數組的資料結構來存儲?
從底層資料結構來說，HashMap是通過數組+連結清單+紅黑樹來進行資料存儲的，數組是為了通過通過下标直接定位到資料，連結清單和紅黑樹都是為了解決沖突而引入的，紅黑樹是為了解決在沖突比較嚴重時，連結清單過長而導緻查詢效率降低，從面通過紅黑樹來提升查詢效率。HashMap底層基本的存儲結構如下圖所示：
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
/* ---------------- Fields -------------- */
/**
* The table, initialized on first use, and resized as
* necessary. When allocated, length is always a power of two.
* (We also tolerate length zero in some operations to allow
* bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
*/
transient Node<K,V>[] table;
} 從上圖可以看出，HashMap底層基本的結構就是一個數組table=Node<K,V>[]，通過Key的hashCode定位到相應的位置（下标），然後在連結清單或紅黑樹中插入Node<K,V>節點，進而完成整個HashMap資料的存儲。接下來，我們看一下承載資料的Node<K,V>的定義是怎麼樣的：
/**
* Basic hash bin node, used for most entries. (See below for
* TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
*/
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
...
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
} 厘清楚幾個概念：capacity、size、threshold
作為Java中最常用的K-V資料類型，HashMap的源碼有很多地方值得細讀。首先，需要區厘清楚幾個概念：capacity、size、threshold.
容量（capacity）
是指目前map最多可以存放多少個元素，
大小 ( size )
是指目前map已經存放了多少個k-v鍵值對。
threshold 門檻值
是擴容的門檻值，當size超過門檻值後，便需要對map進行擴容。也就是說，一般情況下，map當中的鍵值對數量不會達到其容量上限。門檻值一般為：capacity*loadFactor(負載因子)
一、預設情況下，new HashMap()得到的對象，其容量為16，負載因子為0.75
/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
* The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
* by either of the constructors with arguments.
* MUST be a power of two <= 1<<30.
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 二、在初始化map時，若指定了容量大小，那麼，實際的容量值為大于等于該數的第一個2的幂的值。
即：tableSizeFor方法結果: （1 => 1 ; 5=> 8 ; 8=>8 ; 9=> 16）
在下面的代碼執行時：
Map m = new HashMap(5); 實際調用了:
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
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;
}
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);
} 這裡的tableForSize方法，位移操作，在進行按位或，實際上是将一個二進制數從最高位不為0起，将其後面所有的位數都置為1.
例如：
0010 0000 （原始資料）
0001 0000 （右移1位）
-------------（按位 或）
0011 0000
0000 1100
-------------
0011 1100
0000 0011
-------------
0011 1111 是以，tableForSize方法，實際上是将一個32位的資料，從最高位不為0起，後面全部置為1，然後再+1，結果就是最接近指定大小的數的2的幂.
值得注意的是，上面的源碼中，是将tableForSize的值指派給了threshold, 那為何說是我們初始化容量（capacity）的大小為該值呢?
因為在Map初始化時，是第一次向map添加資料才會觸發的。第一次put資料時，調用：
public V put(K key, V value) {
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;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length; //注意這一行代碼
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
...
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
} 注意上面，putVal會判斷table是否為null
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 如果為null,則調用resize方法：
n = (tab = resize()).length; 而resize方法中：
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr; //注意這一行代碼
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor; //擴容門檻值會重新計算，為容量* 負載因子
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
} 實際上就是将之前設定的threshold作為了初始化的容量大小。
不過，對于初始化容量為1時，即
new HashMap(1)
.
此刻的capacity有一點不同，就是在沒有調用put方法時，capacity==1 ;
再調用put之後，capacity ==2。這是因為發生了擴容:
HashMap<String,String> m = new HashMap(1);
//m.put("",""); //調用之後，capacatiy會等于2
Method method = m.getClass().getDeclaredMethod("capacity");
method.setAccessible(true);
System.out.println(method.invoke(m)); // 輸出：1 其它情況下：
HashMap<String,String> m = new HashMap(3);
//m.put("",""); //調用之後，capacatiy會等于4，調用與否都是一緻的
Method method = m.getClass().getDeclaredMethod("capacity");
method.setAccessible(true);
System.out.println(method.invoke(m)); // 輸出：4 實際上，調用capacity方法時：
final int capacity() {
return (table != null) ? table.length :
(threshold > 0) ? threshold :
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
} 如果已經初始化了 table 數組，則傳回數組的大小，否則傳回 threadhold.
三、擴容時的操作
/**
* Initializes or doubles table size. If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
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"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
} 每次觸發擴容時，capacity會變為原來的兩倍:
newThr = oldThr << 1; // double threshold
.
為什麼 HashMap 的容量必須是2的n次方?
為什麼HashMap 最大容量 MAXIMUM_CAPACITY 設定成1 << 30?
HashMap
内部由
Entry[]
數組構成，Java 的數組下标是由
int
表示的。是以對于HashMap來說其最大的容量應該是不超過int最大值的一個 2 的指數幂，而最接近
int
最大值的2個指數幂用位運算符表示就是
1 << 30
.
![1275.找出井字棋的獲勝者Java[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)