JDK源碼學習筆記——HashMap

 Java集合的學習先理清數據結構:html

 HashMap數據結構(不考慮紅黑樹)

1、屬性

    //哈希桶,存放鏈表。 長度是2的N次方,或者初始化時爲0.
    transient Node<K,V>[] table;
    //最大容量 2的30次方
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    //默認的加載因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    //加載因子,用於計算哈希表元素數量的閾值。  threshold = 哈希桶.length * loadFactor;
    final float loadFactor;
    //哈希表內元素數量的閾值,當哈希表內元素數量超過閾值時,會發生擴容resize()。
    int threshold;

2、構造函數

    public HashMap() {
        //默認構造函數,賦值加載因子爲默認的0.75f
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
    public HashMap(int initialCapacity) {
        //指定初始化容量的構造函數
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
    //同時指定初始化容量 以及 加載因子, 用的不多,通常不會修改loadFactor
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //邊界處理
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        //初始容量最大不能超過2的30次方
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        //顯然加載因子不能爲負數
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        //設置閾值爲>=初始化容量的 2的n次方的值
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
    //新建一個哈希表,同時將另外一個map m 裏的全部元素加入表中
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

3、主要方法

getnode

/**
     * get
     * 1.先從數組中取,取到hash值相等且equals的,直接返回
     * 2.先從數組中取,取到hash值相等且!equals,到鏈表/紅黑樹中取
     */
    // 每個節點結構
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
    
        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }
    
    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;//Entry對象數組
        Node<K,V> first,e; //在tab數組中通過散列的第一個位置
        int n;
        K k;
            /*找到插入的第一個Node,方法是hash值和n-1相與,tab[(n - 1) & hash]*/
            //也就是說在一條鏈上的hash值相同的
            if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
                /*檢查第一個Node是否是要找的Node*/
                if (first.hash == hash && // always check first node
                    ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//判斷條件是hash值要相同,key值要相同
                    return first;
                /*檢查first後面的node*/
                if ((e = first.next) != null) {
                    if (first instanceof TreeNode)
                        return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                    /*遍歷後面的鏈表,找到key值和hash值都相同的Node*/
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                            return e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            return null;
    }

 

put面試

    /**
     * put
     * 1.數組下標沒有對應hash值,直接newNode()添加
     * 2.數組下標有對應hash值,添加到鏈表最後
     * 3.鏈表超過最大長度(8),將鏈表改成紅黑樹再添加元素
     */
    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) {
         //tab存放 當前的哈希桶, p用做臨時鏈表節點  
         Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
         //若是當前哈希表是空的,表明是初始化
         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
             //那麼直接去擴容哈希表,而且將擴容後的哈希桶長度賦值給n
             n = (tab = resize()).length;
         //若是當前index的節點是空的,表示沒有發生哈希碰撞。 直接構建一個新節點Node,掛載在index處便可。
         //這裏再囉嗦一下,index 是利用 哈希值 & 哈希桶的長度-1,替代模運算
         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
             tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
         else {//不然 發生了哈希衝突。
             //e
             Node<K,V> e; K k;
             //若是哈希值相等,key也相等,則是覆蓋value操做
             if (p.hash == hash &&
                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                 e = p;//將當前節點引用賦值給e
             else if (p instanceof TreeNode)//紅黑樹暫且不談
                 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
             else {//不是覆蓋操做,則插入一個普通鏈表節點
                 //遍歷鏈表
                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                     if ((e = p.next) == null) {//遍歷到尾部,追加新節點到尾部
                         p.next = newNode(hash, key, value, null);
                         //若是追加節點後,鏈表數量》=8,則轉化爲紅黑樹
                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                             treeifyBin(tab, hash);
                         break;
                     }
                     //若是找到了要覆蓋的節點
                     if (e.hash == hash &&
                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                         break;
                     p = e;
                 }
             }
             //若是e不是null,說明有須要覆蓋的節點,
             if (e != null) { // existing mapping for key
                 //則覆蓋節點值,並返回原oldValue
                 V oldValue = e.value;
                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                     e.value = value;
                 //這是一個空實現的函數,用做LinkedHashMap重寫使用。
                 afterNodeAccess(e);
                 return oldValue;
             }
         }
         //若是執行到了這裏,說明插入了一個新的節點,因此會修改modCount,以及返回null。
        
         //修改modCount
         ++modCount;
         //更新size,並判斷是否須要擴容。
         if (++size > threshold)
             resize();
         //這是一個空實現的函數,用做LinkedHashMap重寫使用。
         afterNodeInsertion(evict);
         return null;
    }

 

remove數組

    /**
     * reomve
     */
    public V remove(Object key) {
        Node<K, V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ? null
                : e.value;
    }

    final Node<K, V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
            boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K, V>[] tab;
        Node<K, V> p;
        int n, index;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0
                && (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node<K, V> node = null, e;
            K k;
            V v;
            if (p.hash == hash
                    && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K, V>) p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    do {
                        if (e.hash == hash
                                && ((k = e.key) == key || (key != null && key
                                        .equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            if (node != null
                    && (!matchValue || (v = node.value) == value || (value != null && value
                            .equals(v)))) {
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K, V>) node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    tab[index] = node.next;
                else
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

resize數據結構

    final Node<K,V>[] resize() {
        //oldTab 爲當前表的哈希桶
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        //當前哈希桶的容量 length
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        //當前的閾值
        int oldThr = threshold;
        //初始化新的容量和閾值爲0
        int newCap, newThr = 0;
        //若是當前容量大於0
        if (oldCap > 0) {
            //若是當前容量已經到達上限
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                //則設置閾值是2的31次方-1
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                //同時返回當前的哈希桶,再也不擴容
                return oldTab;
            }//不然新的容量爲舊的容量的兩倍。 
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)//若是舊的容量大於等於默認初始容量16
                //那麼新的閾值也等於舊的閾值的兩倍
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }//若是當前表是空的,可是有閾值。表明是初始化時指定了容量、閾值的狀況
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;//那麼新表的容量就等於舊的閾值
        else {}//若是當前表是空的,並且也沒有閾值。表明是初始化時沒有任何容量/閾值參數的狀況               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//此時新表的容量爲默認的容量 16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//新的閾值爲默認容量16 * 默認加載因子0.75f = 12
        }
        if (newThr == 0) {//若是新的閾值是0,對應的是  當前表是空的,可是有閾值的狀況
            float ft = (float)newCap * loadFactor;//根據新表容量 和 加載因子 求出新的閾值
            //進行越界修復
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        //更新閾值 
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        //根據新的容量 構建新的哈希桶
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        //更新哈希桶引用
        table = newTab;
        //若是之前的哈希桶中有元素
        //下面開始將當前哈希桶中的全部節點轉移到新的哈希桶中
        if (oldTab != null) {
            //遍歷老的哈希桶
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                //取出當前的節點 e
                Node<K,V> e;
                //若是當前桶中有元素,則將鏈表賦值給e
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    //將原哈希桶置空以便GC
                    oldTab[j] = null;
                    //若是當前鏈表中就一個元素,(沒有發生哈希碰撞)
                    if (e.next == null)
                        //直接將這個元素放置在新的哈希桶裏。
                        //注意這裏取下標 是用 哈希值 與 桶的長度-1 。 因爲桶的長度是2的n次方,這麼作實際上是等於 一個模運算。可是效率更高
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                        //若是發生過哈希碰撞 ,並且是節點數超過8個,轉化成了紅黑樹(暫且不談 避免過於複雜, 後續專門研究一下紅黑樹)
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    //若是發生過哈希碰撞,節點數小於8個。則要根據鏈表上每一個節點的哈希值,依次放入新哈希桶對應下標位置。
                    else { // preserve order
                        //由於擴容是容量翻倍,因此原鏈表上的每一個節點,如今可能存放在原來的下標,即low位, 或者擴容後的下標,即high位。 high位=  low位+原哈希桶容量
                        //低位鏈表的頭結點、尾節點
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        //高位鏈表的頭節點、尾節點
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;//臨時節點 存放e的下一個節點
                        do {
                            next = e.next;
                            //這裏又是一個利用位運算 代替常規運算的高效點: 利用哈希值 與 舊的容量,結果只有兩種 0或者oldCap,結果是0則存放在低位,不然存放在高位
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                //給頭尾節點指針賦值
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }//高位也是相同的邏輯
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }//循環直到鏈表結束
                        } while ((e = next) != null);
                        //將低位鏈表存放在原index處,
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        //將高位鏈表存放在新index處
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

 

遍歷app

    /**
     * 遍歷 主要看方法nextNode()
     */
    final class KeyIterator extends HashIterator implements Iterator<K> {
        public final K next() {
            return nextNode().key;
        }
    }

    final class ValueIterator extends HashIterator implements Iterator<V> {
        public final V next() {
            return nextNode().value;
        }
    }

    final class EntryIterator extends HashIterator implements
            Iterator<Map.Entry<K, V>> {
        public final Map.Entry<K, V> next() {
            return nextNode();
        }
    }
    
    abstract class HashIterator {
        Node<K, V> next; // next entry to return
        Node<K, V> current; // current entry
        int expectedModCount; // for fast-fail
        int index; // current slot

        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            Node<K, V>[] t = table;
            current = next = null;
            index = 0;
            if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
                do {
                } while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
            }
        }

        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }

        final Node<K, V> nextNode() {
            Node<K, V>[] t;
            Node<K, V> e = next;
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
                do {
                } while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
            }
            return e;
        }

        public final void remove() {
            Node<K, V> p = current;
            if (p == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)   
                throw new ConcurrentModificationException();
            current = null;
            K key = p.key;
            removeNode(hash(key), key, null, false, false);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }

 

4、數組的長度是2的次冪 數組下表計算e.hash & (table.length- 1) hash()方法(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)

一、tableSizeFor(int cap)保證數組容量是2的次冪函數

    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;
    }

 

二、2的次冪-1(即table.length- 1)獲得是數用二進制表示每一位都是1。源碼分析

三、將e.hash放進table數組中,須要e.hash%(table.length- 1)獲得下標;post

這裏用e.hash&(table.length- 1)代替e.hash%(table.length- 1),位運算代替除法;學習

e.hash&(table.length- 1)相似Integer類的toUnsignedLong() 方法:((long) x) & 0xffffffffL,只保留低位;

四、由於e.hash&(table.length- 1)時,比(table.length- 1)高的位都成0了,只用到了e.hash的低位;

e.hash = (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16),使key的hashCode值高16位不變,低16位 由(高16位)^(低16位)獲得;

e.hash&(table.length- 1)時用到的e.hash的低位也有高16位參與進來,減小了衝突碰撞。

 舉例可參考:HashMap的hash()

 

 

參考資料:

Java中HashMap底層實現原理(JDK1.8)源碼分析

HashMap實現原理及源碼分析

面試必備:HashMap源碼解析(JDK8)

HashMap源代碼分析(JDK1.8)

面試必考:HashMap容量爲2次冪的緣由

HashMap的hash() 

HashMap 實現原理

JDK1.8 HashMap源碼分析

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