HashMap源码重点分析

目录

一、为啥要使用数组+链表+红黑树的结构

二、哈希算法及put过程部分分析

三、哈希扩容

四、死锁发生

一、为啥要使用数组+链表+红黑树的结构

• 数组+链表（jdk1.8之前）
• 数组+链表+红黑树（红黑树是jdk1.8引进，当链表长度 >= 8即为9（最后会插入一个元素）时转为红黑树，这里具体不研究红黑树）

数据结构特点及为啥使用这种结构

• 数组：查找非常快。
• 链表：增加/删除非常快。查找效率不高。
• 红黑树：确保最坏查询效率，就是解决链表长度过长。

二、哈希算法及put过程部分分析

1、put之前，调用哈希算法

2、深入哈希算法

发现hash算法，当不为空时，是返回key.hashCode() ^ (key.hashCode() >>> 16)

为什么要这样子呢？

如下图分析：

目的是为了不让高16位特征丢失。进行异或（^）运算是为了之后的索引均匀散列。

put过程（hash值计算重点）

具体put实现（计算下标hash & (n - 1)效率比 hash % n高）

/**
     * Map.put和其他相关方法的实现需要的方法
     * putVal方法可以分为下面的几个步骤:
     * 1.如果哈希表为空，调用resize()创建一个哈希表。
     * 2.如果指定参数hash在表中没有对应的桶，即为没有碰撞，直接将键值对插入到哈希表中即可。
     * 3.如果有碰撞，遍历桶，找到key映射的节点
     * 3.1桶中的第一个节点就匹配了，将桶中的第一个节点记录起来。
     * 3.2如果桶中的第一个节点没有匹配，且桶中结构为红黑树，则调用红黑树对应的方法插入键值对。
     * 3.3如果不是红黑树，那么就肯定是链表。遍历链表，如果找到了key映射的节点，就记录这个节点，退出循环。如果没有找到，在链表尾部插入节点。插入后，如果链的长度大于TREEIFY_THRESHOLD这个临界值，则使用treeifyBin方法把链表转为红黑树。
     * 4.如果找到了key映射的节点，且节点不为null
     * 4.1记录节点的vlaue。
     * 4.2如果参数onlyIfAbsent为false，或者oldValue为null，替换value，否则不替换。
     * 4.3返回记录下来的节点的value。
     * 5.如果没有找到key映射的节点（2、3步中讲了，这种情况会插入到hashMap中），插入节点后size会加1，这时要检查size是否大于临界值threshold，如果大于会使用resize方法进行扩容。
     *
     * @param hash         指定参数key的哈希值
     * @param key          指定参数key
     * @param value        指定参数value
     * @param onlyIfAbsent 如果为true，即使指定参数key在map中已经存在，也不会替换value
     * @param evict        如果为false，数组table在创建模式中
     * @return 如果value被替换，则返回旧的value，否则返回null。当然，可能key对应的value就是null。
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K, V>[] tab;
        Node<K, V> p;
        int n, i;
        //如果哈希表为空，调用resize()创建一个哈希表，并用变量n记录哈希表长度
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        /**
         * 如果指定参数hash在表中没有对应的桶，即为没有碰撞
         * Hash函数，(n - 1) & hash 计算key将被放置的槽位
         * (n - 1) & hash 本质上是hash % n，位运算更快
         */
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //直接将键值对插入到map中即可
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {// 桶中已经存在元素
            Node<K, V> e;
            K k;
            // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等
            if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 将第一个元素赋值给e，用e来记录
                e = p;
                // 当前桶中无该键值对，且桶是红黑树结构，按照红黑树结构插入
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K, V>) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                // 当前桶中无该键值对，且桶是链表结构，按照链表结构插入到尾部
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    // 遍历到链表尾部
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 检查链表长度是否达到阈值，达到将该槽位节点组织形式转为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // 链表节点的<key, value>与put操作<key, value>相同时，不做重复操作，跳出循环
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            // 找到或新建一个key和hashCode与插入元素相等的键值对，进行put操作
            if (e != null) { // existing mapping for key
                // 记录e的value
                V oldValue = e.value;
                /**
                 * onlyIfAbsent为false或旧值为null时，允许替换旧值
                 * 否则无需替换
                 */
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                // 访问后回调
                afterNodeAccess(e);
                // 返回旧值
                return oldValue;
            }
        }
        // 更新结构化修改信息
        ++modCount;
        // 键值对数目超过阈值时，进行rehash
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 插入后回调
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
           

三、哈希扩容

这里涉及到一些参数

1、HashMap默认长度16。而且一定是2^n次方，为啥？涉及到hashMap-put过程的索引确定，索引是(n - 1) & hash

这里的(n - 1)二进制如果是2^n次方，那么可以确保全1，这样 （n-1）& hash就能确保均匀。

为啥不使用%？，因为&运算效率远高于%。

2、默认扩容因子0.75。HashMap长度 大于 HashMap长度*扩容因子为触发扩容的条件，刚开始为16*0.75，就是链表长度13，就会触发扩容操作。

threshold = HashMap长度*扩容因子 = 16 * 0.75 = 12。下面源码在第一次resize()中，目的是初始化数组，而不是扩容

size == 13时，就是HashMap容量，就会触发第一次扩容。

3、转换成红黑树

条件1：(n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)，当数组长度达到64及以上时。不然会进行扩容。

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
           

条件2：当链表长度大于等8时（实际将添加进去的元素刚好是9个后才进行转换，可以去源码数一数binCount=7时，链表个数），触发条件，将链表转为红黑树。

小于等于6转为链表

扩容源码主要研究下面这段

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;
                        }
                    }
                }
            }
        }
           

需要扩容时（链表有7个元素，桶大小为8，刚好触发扩容）

扩容

四、死锁发生

原因：

• jdk1.7及以下，HashMap在扩容 resize() 时，会发生死锁，就是循环链表死循环。原因：多线程并发、扩容进行头插法。
• jdk1.8版本及以上，HashMap使用了尾插法，解决了循环链表发生死锁的问题。
• 或者使用ConcurrentHashMap也可以解决HashMap线程不安全的问题。它使用了分段锁，根据需要锁每个数组，细化锁的粒度提高性能，jdk1.8取消了分段锁用cas+synchronize提高性能。

图解扩容过程，发生死锁(jdk1.7）

图文解析：

1、线程1、线程2，线程2在获得了进行了第一步时（e = A），被线程1原因导致挂起。此时线程2保留（e = A）

2、线程1进行第一步e = A，next = e.next(就是next = B)，e.next = newTable[i]，newTable[i] = e，e = next（元素A移动到新数组，元素e往下移一个）

动态图文

线程A记录了数据b后，next=a.next();，图状态

线程B来了，线程A被挂起

线程B进行扩容动态图

e=next=null，结束返回。此时线程A继续运行

此时状态，正要执行e.next()=table[3]，就是a.next=table[3]

产生环链表

返回b，继续循环...产生死锁