HashMap实现
在面试的时候，大家经常用HashMap来打开话题，可能是这个容器被频繁使用，比较重要吧
那么HashMap是怎么实现的？
- jdk1.7的HashMap是用数组+链表实现的
- jdk1.8的HashMap是用数组+链表+红黑树实现的
HashMap的主干是一个数组，假设我们有3个键值对dnf:1，cf:2，lol:3，每次放的时候会根据key.hash % table.length（对象的hashcode进行一些操作后对数组的长度取余）确定这个键值对应该放在数组的哪个位位置
1 = indexFor(dnf)，我们将键值对放在数组下标为1的位置
3 = indexFor(cf)
1 = indexFor(lol)，这时发现数组下标为1的位置已经有值了，我们把lol:3放到链表的下一位
jdk1.7是头插法
jdk1.8是尾插法
在获取key为lol的键值对时，1=hash(lol)，得到这个键值对在数组下标为1的位置，lol和dnf不相等，和下一个元素比较，相等返回。set和get的过程就是这么简单。先定位到槽的位置（即数组中的位置），再遍历链表找到相同的元素。
由上图可以看出，HashMap在发生hash冲突的时候用的是链地址法，解决hash冲突并不只有这一种方法，常见的有如下四种方法
- 开放定址法
- 链地址法
- 再哈希法
- 公共溢出区域法。
JDK1.7源码
构造函数
HashMap有如下三个构造函数
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
最终都会调用到如下构造函数，传入2个参数
- initialCapacity：table数组的初始化大小
- loadFactor：负载因子
// 默认的数组大小
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 默认的负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
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;
threshold = initialCapacity;
init();
}
这里看到一个新参数threshold，我们先暂时不管这个参数的作用，后面用到的时候会再次提到
接着来看HashMap中最常用的2个方法，put和get
put方法的执行过程
- key为null直接放在table[0]处，对key的hashCode()做hash运算，计算index;
- 如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)，并返回old Value
- 如果达到扩容的阈值（超过capacity * load factor），并且发生碰撞，就要resize
- 将元素放到bucket的首位，即头插法
public V put(K key, V value) {
//hashmap的数组为空
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//获取hash值
int hash = hash(key);
//找到应该放到table的哪个位置
int i = indexFor(hash, table.length);
//遍历table[i]位置的链表，查找相同的key,若找到则使用新的value替换oldValue,并返回oldValue
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果key已经存在，将value设置为新的，并返回旧的value值
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
//将元素放到table[i]，新的元素总在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
为空时，HashMap还没有创建这个数组，有可能用的是默认的16的初始值，还有可能自定义了长度，这时需要把长度变为2的最小倍数，并且这个长度大于等于设定的值
private void inflateTable(int toSize) {
// 返回大于或等于最接近2的幂数
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
初始化数组的时候，将 threshold 设置为 capacity * loadFactor，Math.min是一个兜底策略，很少会超过这个值
若key为null，则将值放在table[0]这个链上
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
找到应该放在数组的位置，h & (length-1)这个式子你可以认为hash值对数组长度取余，后面会说到这个式子
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}
添加元素
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 容量超过阈值，并且发生碰撞时进行扩容
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
// 数组扩容为原来的2倍，并将元素复制到新数组上
resize(2 * table.length);
// 重新计算hash值，如果不做特殊设置的话，和之前算出来的hash值一样
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
终于看到 threshold 的用处了，原来是扩容的阈值啊。
threshold = capacity * load factor
扩容的阈值 = 数组长度 * 负载因子
如果hashmap数组的长度为16，负载因子为0.75，则扩容阈值为16 * 0.75 = 12
- 负载因子越小，容易扩容，浪费空间，但查找效率高
- 负载因子越大，不易扩容，对空间的利用更加充分，查找效率低（链表拉长）
从这里我们可以看到扩容的时机为容器中键值对的数量超过阈值，并且新元素放置的位置发生碰撞
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
//容量已经达到最大
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
// initHashSeedAsNeeded函数默认情况下会一直返回false
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
扩容就是rehash的过程，将旧数组上的元素放到新数组
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
// 遍历数组
for (Entry<K,V> e : table) {
// 遍历链表
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
这个transfer函数挺有意思的，如果你仔细理解它的复制过程，会发现有如下2个特别有意思的地方
- 原来在oldTable[i]位置的元素，会被放到newTable[i]或者newTable[i+oldTable.length]的位置
- 链表在复制的时候会反转
这2个点需要注意一下，我会在JDK1.8中再次提到这2个点
接着将新增加的元素放到table的第一位，并且将其他元素跟在第一个元素后面，即头插入法
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++;
}
放入数组的键值对会被封装为Entry对象
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构
int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
}
get方法的执行过程
- key为null直接从table[0]处取，对key的hashCode()做hash运算，计算index;
- 通过key.equals(k)去查找对应的Entry，接着返回value
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
从table[0]初获取key为null的值
private V getForNullKey() {
if (size == 0) {
return null;
}
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
key不为null时
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
参考博客
HashMap实现原理
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/7HlgNQmqnBZlFx5WQhzP0g
美团 java8
[6]https://tech.meituan.com/2016/06/24/java-hashmap.html
hashMap不是线程安全的原因
