深刻理解HashMap

HashMap 簡介

HashMap 主要用來存放鍵值對，它基於哈希表的Map接口實現，是經常使用的Java集合之一。

JDK1.8 以前 HashMap 由 數組+鏈表 組成的，數組是 HashMap 的主體，鏈表則是主要爲了解決哈希衝突而存在的（「拉鍊法」解決衝突）.JDK1.8 之後在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲 8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減小搜索時間。

底層數據結構分析

JDK1.8以前

JDK1.8 以前 HashMap 底層是 數組和鏈表 結合在一塊兒使用也就是 鏈表散列。HashMap 經過 key 的 hashCode 通過擾動函數處理事後獲得 hash 值，而後經過 (n - 1) & hash 判斷當前元素存放的位置（這裏的 n 指的是數組的長度），若是當前位置存在元素的話，就判斷該元素與要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，若是相同的話，直接覆蓋，不相同就經過拉鍊法解決衝突。

所謂擾動函數指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是擾動函數是爲了防止一些實現比較差的 hashCode() 方法 換句話說使用擾動函數以後能夠減小碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源碼:

JDK 1.8 的 hash方法 相比於 JDK 1.7 hash 方法更加簡化，可是原理不變。

    static final int hash(Object key) { int h; // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode // ^ ：按位異或 // >>>:無符號右移，忽略符號位，空位都以0補齊 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }

對比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源碼.

static int hash(int h) { // This function ensures that hashCodes that differ only by // constant multiples at each bit position have a bounded // number of collisions (approximately 8 at default load factor). h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); }

相比於 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能會稍差一點點，由於畢竟擾動了 4 次。

所謂 「拉鍊法」 就是：將鏈表和數組相結合。也就是說建立一個鏈表數組，數組中每一格就是一個鏈表。若遇到哈希衝突，則將衝突的值加到鏈表中便可。

JDK1.8以後

相比於以前的版本，jdk1.8在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認爲8）時，將鏈表轉化爲紅黑樹，以減小搜索時間。

類的屬性：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { // 序列號 private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; // 默認的初始容量是16 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 最大容量 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 默認的填充因子 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // 當桶(bucket)上的結點數大於這個值時會轉成紅黑樹 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 當桶(bucket)上的結點數小於這個值時樹轉鏈表 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 桶中結構轉化爲紅黑樹對應的table的最小大小 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // 存儲元素的數組，老是2的冪次倍 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，注意這個不等於數組的長度。 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; // 加載因子 final float loadFactor; }

• loadFactor加載因子

  loadFactor加載因子是控制數組存放數據的疏密程度，loadFactor越趨近於1，那麼 數組中存放的數據(entry)也就越多，也就越密，也就是會讓鏈表的長度增長，loadFactor越小，也就是趨近於0，數組中存放的數據(entry)也就越少，也就越稀疏。

  loadFactor太大致使查找元素效率低，過小致使數組的利用率低，存放的數據會很分散。loadFactor的默認值爲0.75f是官方給出的一個比較好的臨界值。

  給定的默認容量爲 16，負載因子爲 0.75。Map 在使用過程當中不斷的往裏面存放數據，當數量達到了 16 * 0.75 = 12 就須要將當前 16 的容量進行擴容，而擴容這個過程涉及到 rehash、複製數據等操做，因此很是消耗性能。

• threshold

  threshold = capacity * loadFactor，當Size>=threshold的時候，那麼就要考慮對數組的擴增了，也就是說，這個的意思就是 衡量數組是否須要擴增的一個標準。

Node節點類源碼:

// 繼承自 Map.Entry<K,V> static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中時用來與其餘元素hash值比較 final K key;//鍵 V value;//值 // 指向下一個節點 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 final K getKey() { return key; } public final V getValue() { return value; } public final String toString() { return key + "=" + value; } // 重寫hashCode()方法 public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value); } public final V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue; return oldValue; } // 重寫 equals() 方法 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; } }

樹節點類源碼:

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { TreeNode<K,V> parent; // 父 TreeNode<K,V> left; // 左 TreeNode<K,V> right; // 右 TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion boolean red; // 判斷顏色 TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) { super(hash, key, val, next); } // 返回根節點 final TreeNode<K,V> root() { for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) { if ((p = r.parent) == null) return r; r = p; }

HashMap源碼分析

構造方法

    // 默認構造函數。 public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted } // 包含另外一個「Map」的構造函數 public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false);//下面會分析到這個方法 } // 指定「容量大小」的構造函數 public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } // 指定「容量大小」和「加載因子」的構造函數 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); }

putMapEntries方法：

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爲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); // 計算獲得的t大於閾值，則初始化閾值 if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } // 已初始化，而且m元素個數大於閾值，進行擴容處理 else if (s > threshold) resize(); // 將m中的全部元素添加至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); } } }

put方法

HashMap只提供了put用於添加元素，putVal方法只是給put方法調用的一個方法，並無提供給用戶使用。

對putVal方法添加元素的分析以下：

• ①若是定位到的數組位置沒有元素 就直接插入。
• ②若是定位到的數組位置有元素就和要插入的key比較，若是key相同就直接覆蓋，若是key不相同，就判斷p是不是一個樹節點，若是是就調用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)將元素添加進入。若是不是就遍歷鏈表插入(插入的是鏈表尾部)。

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; // table未初始化或者長度爲0，進行擴容 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // (n - 1) & hash 肯定元素存放在哪一個桶中，桶爲空，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; // 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)))) // 將第一個元素賦值給e，用e來記錄 e = p; // hash值不相等，即key不相等；爲紅黑樹結點 else if (p instanceof TreeNode) // 放入樹中 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); // 爲鏈表結點 else { // 在鏈表最末插入結點 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 到達鏈表的尾部 if ((e = p.next) == null) { // 在尾部插入新結點 p.next = newNode(hash, key, value, null); // 結點數量達到閾值，轉化爲紅黑樹 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); // 跳出循環 break; } // 判斷鏈表中結點的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; // 用於遍歷桶中的鏈表，與前面的e = p.next組合，能夠遍歷鏈表 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爲false或者舊值爲null if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //用新值替換舊值 e.value = value; // 訪問後回調 afterNodeAccess(e); // 返回舊值 return oldValue; } } // 結構性修改 ++modCount; // 實際大小大於閾值則擴容 if (++size > threshold) resize(); // 插入後回調 afterNodeInsertion(evict); return null; } 

咱們再來對比一下 JDK1.7 put方法的代碼

對於put方法的分析以下：

• ①若是定位到的數組位置沒有元素 就直接插入。
• ②若是定位到的數組位置有元素，遍歷以這個元素爲頭結點的鏈表，依次和插入的key比較，若是key相同就直接覆蓋，不一樣就採用頭插法插入元素。

public V put(K key, V value) if (table == EMPTY_TABLE) { inflateTable(threshold); } if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { // 先遍歷 Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); // 再插入 return null; }

get方法

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; if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // 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; // 桶中不止一個節點 if ((e = first.next) != null) { // 在樹中get if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); // 在鏈表中get do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }

resize方法

進行擴容，會伴隨着一次從新hash分配，而且會遍歷hash表中全部的元素，是很是耗時的。在編寫程序中，要儘可能避免resize。

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) { // 超過最大值就再也不擴充了，就只好隨你碰撞去吧 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 沒超過最大值，就擴充爲原來的2倍 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 { // signifies using defaults newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } // 計算新的resize上限 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) { // 把每一個bucket都移動到新的buckets中 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 { Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do { next = e.next; // 原索引 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } // 原索引+oldCap else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); // 原索引放到bucket裏 if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } // 原索引+oldCap放到bucket裏 if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }

HashMap經常使用方法測試

package map; import java.util.Collection; import java.util.HashMap; import java.util.Set; public class HashMapDemo { public static void main(String[] args) { HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>(); // 鍵不能重複，值能夠重複 map.put("san", "張三"); map.put("si", "李四"); map.put("wu", "王五"); map.put("wang", "老王"); map.put("wang", "老王2");// 老王被覆蓋 map.put("lao", "老王"); System.out.println("-------直接輸出hashmap:-------"); System.out.println(map); /**  * 遍歷HashMap  */ // 1.獲取Map中的全部鍵 System.out.println("-------foreach獲取Map中全部的鍵:------"); Set<String> keys = map.keySet(); for (String key : keys) { System.out.print(key+" "); } System.out.println();//換行 // 2.獲取Map中全部值 System.out.println("-------foreach獲取Map中全部的值:------"); Collection<String> values = map.values(); for (String value : values) { System.out.print(value+" "); } System.out.println();//換行 // 3.獲得key的值的同時獲得key所對應的值 System.out.println("-------獲得key的值的同時獲得key所對應的值:-------"); Set<String> keys2 = map.keySet(); for (String key : keys2) { System.out.print(key + "：" + map.get(key)+" "); } /**  * 另一種不經常使用的遍歷方式  */ // 當我調用put(key,value)方法的時候，首先會把key和value封裝到 // Entry這個靜態內部類對象中，把Entry對象再添加到數組中，因此咱們想獲取 // map中的全部鍵值對，咱們只要獲取數組中的全部Entry對象，接下來 // 調用Entry對象中的getKey()和getValue()方法就能獲取鍵值對了 Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet(); for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) { System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue()); } /**  * HashMap其餘經常使用方法  */ System.out.println("after map.size()："+map.size()); System.out.println("after map.isEmpty()："+map.isEmpty()); System.out.println(map.remove("san")); System.out.println("after map.remove()："+map); System.out.println("after map.get(si)："+map.get("si")); System.out.println("after map.containsKey(si)："+map.containsKey("si")); System.out.println("after containsValue(李四)："+map.containsValue("李四")); System.out.println(map.replace("si", "李四2")); System.out.println("after map.replace(si, 李四2):"+map); } }