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Java源碼分析——HashMap(JDK1.8）

JDK 1.8 對 HashMap 進行了比較大的優化，底層實作由之前的 “數組+連結清單” 改為 “數組+連結清單/紅黑樹”，關于HashMap在JDK1.7中的分析在上篇文章：

Java源碼分析——HashMap(JDK1.7)

HashMap在JDK1.8的新特性

1、HashMap屬性

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    // 序列号
    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
    // 預設的初始容量是16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
    // 最大容量
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
    // 預設的填充因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    // 當桶(bucket)上的結點數大于這個值時會轉成紅黑樹
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
    // 當桶(bucket)上的結點數小于這個值時樹轉連結清單
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    // 桶中結構轉化為紅黑樹對應的table的最小大小
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    // 存儲元素的數組，總是2的幂次倍
    transient Node<k,v>[] table; 
    // 存放具體元素的集
    transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
    // 存放元素的個數，注意這個不等于數組的長度。
    transient int size;
    // 每次擴容和更改map結構的計數器
    transient int modCount;   
    // 臨界值 當實際大小(容量*填充因子)超過臨界值時，會進行擴容
    int threshold;
    // 填充因子
    final float loadFactor;
}

2、HashMap()構造函數

Java源碼分析——HashMap(JDK1.8）

putMapEntries()方法與JDK1.7中不同，是将m的所有元素存入本HashMap執行個體中。

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        // 判斷table是否已經初始化
        if (table == null) { // pre-size
            // 未初始化，s為m的實際元素個數
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                    (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            // 計算得到的t大于門檻值，則初始化門檻值
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 已初始化，并且m元素個數大于門檻值，進行擴容處理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 将m中的所有元素添加至HashMap中
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}

關于resize()擴容方法在後續詳細分析。

2、hash算法

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

首先擷取對象的hashCode()值，然後将hashCode值右移16位，然後将右移後的值與原來的hashCode做異或運算。

因為h是key的hashCode值，是以h的高16位也是有值的，是以在hash方法中将key的hashCode右移16位在與自身異或，使得高位也可以參與hash，更大程度上減少了碰撞率。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {
    HashMap.Node[] tab;
    int n;
    if ((tab = this.table) == null || (n = tab.length) == 0) 
    	n = (tab = this.resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//擷取位置
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    ...
}

在putVal源碼中，我們通過(n-1)&hash擷取該對象的鍵在hashmap中的位置。其中n表示的是hash桶數組的長度，并且該長度為2的n次方，這樣(n-1)&hash就等價于hash%n。

Java源碼分析——HashMap(JDK1.8）

3、HashMap存儲

public V put(K key, V value) {
        return this.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;
    // 步驟①：tab為空則建立 
    // table未初始化或者長度為0，進行擴容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 步驟②：計算index，并對null做處理  
    // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪個桶中，桶為空，新生成結點放入桶中(此時，這個結點是放在數組中)
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 桶中已經存在元素
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 步驟③：節點key存在，直接覆寫value 
        // 比較桶中第一個元素(數組中的結點)的hash值相等，key相等
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 将第一個元素指派給e，用e來記錄
                e = p;
        // 步驟④：判斷該鍊為紅黑樹 
        // hash值不相等，即key不相等；為紅黑樹結點
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入樹中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 步驟⑤：該鍊為連結清單 
        // 為連結清單結點
        else {
            // 在連結清單最末插入結點
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 到達連結清單的尾部
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 在尾部插入新結點
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 結點數量達到門檻值，轉化為紅黑樹
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 跳出循環
                    break;
                }
                // 判斷連結清單中結點的key值與插入的元素的key值是否相等
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 相等，跳出循環
                    break;
                // 用于周遊桶中的連結清單，與前面的e = p.next組合，可以周遊連結清單
                p = e;
            }
        }
        // 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結點
        if (e != null) { 
            // 記錄e的value
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent為false或者舊值為null
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                //用新值替換舊值
                e.value = value;
            // 通路後回調
            afterNodeAccess(e);
            // 傳回舊值
            return oldValue;
        }
    }
    // 結構性修改
    ++modCount;
    // 步驟⑥：超過最大容量 就擴容 
    // 實際大小大于門檻值則擴容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入後回調
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

putVal方法執行過程如下：

Java源碼分析——HashMap(JDK1.8）

①.判斷鍵值對數組table[i]是否為空或為null，否則執行resize()進行擴容；

②.根據鍵值key計算hash值得到插入的數組索引i，如果table[i]==null，直接建立節點添加，轉向⑥，如果table[i]不為空，轉向③；

③.判斷table[i]的首個元素是否和key一樣，如果相同直接覆寫value，否則轉向④，這裡的相同指的是hashCode以及equals；

④.判斷table[i] 是否為treeNode，即table[i] 是否是紅黑樹，如果是紅黑樹，則直接在樹中插入鍵值對，否則轉向⑤；

⑤.周遊table[i]，判斷連結清單長度是否大于8，大于8的話把連結清單轉換為紅黑樹，在紅黑樹中執行插入操作，否則進行連結清單的插入操作；周遊過程中若發現key已經存在直接覆寫value即可；

⑥.插入成功後，判斷實際存在的鍵值對數量size是否超多了最大容量threshold，如果超過，進行擴容。

從源碼中可知，JDK1.8中出現哈希碰撞插入資料是在連結清單尾部，這與JDK1.7中是不同的。

4、HashMap讀取

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;
    // table已經初始化，長度大于0，根據hash尋找table中的項也不為空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 桶中第一項(數組元素)相等
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 桶中不止一個結點
        if ((e = first.next) != null) {
            // 為紅黑樹結點
            if (first instanceof TreeNode)
                // 在紅黑樹中查找
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            // 否則，在連結清單中查找
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

總結

  1. HashMap 的底層是個 Node 數組（Node<K,V>[] table），在數組的具體 索引位置，如果存在多個節點，則可能是以連結清單或紅黑樹的形式存在。
  2. 增加、删除、查找鍵值對時，首先得到key的hashCode值，然後與其高16位進行異或操作得到hash，最後進行hash&(length-1)取模操作
  3. HashMap 的預設初始容量（capacity）是 16，capacity 必須為 2 的幂次方；預設負載因子（load factor）是 0.75；實際能存放的節點個數= capacity * load factor。
  4. HashMap 在觸發擴容後，門檻值會變為原來的 2 倍，并且會對所有節點進行重 hash 分布，重 hash 分布後節點的新分布位置隻可能有兩個：“原索引位置” 或 “原索引+oldCap位置”。
例如 capacity 為16，索引位置 5 的節點擴容後，隻可能分布在新表 “索引位置5” 和 “索引位置21（5+16）
  1. HashMap 有 threshold 屬性和 loadFactor 屬性，但是沒有 capacity 屬性。初始化時，如果傳了初始化容量值，該值是存在 threshold 變量，并且 Node 數組是在第一次 put 時才會進行初始化，初始化時會将此時的 threshold 值作為新表的 capacity 值，然後用 capacity 和 loadFactor 計算新表的真正 threshold 值。
  2. 當同一個索引位置的節點在增加後達到 9 個時，并且此時數組的長度大于等于 64，則會觸發連結清單節點（Node）轉紅黑樹節點（TreeNode），轉成紅黑樹節點後，其實連結清單的結構還存在，通過 next 屬性維持。連結清單節點轉紅黑樹節點的具體方法為源碼中的 treeifyBin 方法。
  3. HashMap 是非線程安全的，在并發場景下使用 ConcurrentHashMap 來代替。
連結清單 hashmap java 算法 資料結構
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