HashMap源碼分析 —— 一篇文章搞定HashMap面試
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HashMap是Map中最爲經常使用的一種，面試中也常常會被問到相關的問題。因爲HashMap數據結構較爲複雜，回答相關問題的時候每每不盡人意，尤爲是在JDK1.8以後，又引入了紅黑樹結構，其數據結構變的更加複雜，本文就JDK1.8源碼爲例，對HashMap進行分析；node
一、源碼分析
1.1 老規矩，先上構造方法
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);
}
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
複製代碼
構造方法一共重載了四個，主要初始化了三個參數：面試
- initialCapacity 初始容量（默認16）： hashMap底層由數組實現+鏈表（或紅黑樹）實現，可是仍是從數組開始，因此當儲存的數據愈來愈多的時候，就必須進行擴容操做，若是在知道須要儲存數據大小的狀況下，指定合適的初始容量，能夠避免沒必要要的擴容操做，提高效率
- threshold 閾值：hashMap所能容納的最大價值對數量，若是超過則須要擴容，計算方式：threshold=initialCapacity*loadFactor（構造方法中直接經過tableSizeFor(initialCapacity)方法進行了賦值，主要緣由是在構造方法中，數組table並無初始化，put方法中進行初始化，同時put方法中也會對threshold進行從新賦值，這個會在後面的源碼中進行分析）
- loadFactor 加載因子（默認0.75）：當負載因子較大時，去給table數組擴容的可能性就會少，因此相對佔用內存較少（空間上較少），可是每條entry鏈上的元素會相對較多，查詢的時間也會增加（時間上較多）。反之就是，負載因子較少的時候，給table數組擴容的可能性就高，那麼內存空間佔用就多，可是entry鏈上的元素就會相對較少，查出的時間也會減小。因此纔有了負載因子是時間和空間上的一種折中的說法。因此設置負載因子的時候要考慮本身追求的是時間仍是空間上的少。（通常狀況下不須要設置，系統給的默認值已經比較適合了）
咱們最常使用的是無參構造，在這個構造方法裏面僅僅設置了加載因子爲默認值，其餘兩個參數會在resize方法裏面進行初始化，在這裏知道這個結論就能夠了，下面會在源碼裏面進行分析； 另一個帶有兩個參數的構造方法，裏面對初始容量和閾值進行了初始化，對閾值的初始化方法爲 tableSizeFor(int cap),看一下源碼：算法
/**
* 找到大於或等於 cap 的最小2的冪
*/
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;
}
複製代碼
第一次看大這個方法的時候，我當時的心情是：數組
接下來分析一下這個方法，對於無符號右移運算符不瞭解的，能夠看一下這篇文章瞭解一下，下面偷一張圖（真的是借別人的圖，google搜索的,不知道是誰的，若是大佬以爲太可恥，私信我我刪了他）以10爲例進行分析：安全
1.2 put方法
在hashMap源碼中，put方法邏輯是最爲複雜的，接下來先看一下源碼：bash
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;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//若是table還沒有初始化，則此處進行初始化數組，並賦值初始容量，從新計算閾值
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//經過hash找到下標，若是hash值指定的位置數據爲空，則直接將數據存放進去
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//若是經過hash找到的位置有數據，發生碰撞
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//若是須要插入的key和當前hash值指定下標的key同樣，先將e數組中已有的數據
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
//若是此時桶中數據類型爲 treeNode，使用紅黑樹進行插入
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//此時桶中數據類型爲鏈表
// 進行循環
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//若是鏈表中沒有最新插入的節點，將新放入的數據放到鏈表的末尾
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//若是鏈表過長，達到樹化閾值，將鏈表轉化成紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//若是鏈表中有新插入的節點位置數據不爲空，則此時e 賦值爲節點的值，跳出循環
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//通過上面的循環後，若是e不爲空，則說明上面插入的值已經存在於當前的hashMap中，那麼更新指定位置的鍵值對
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//若是此時hashMap size大於閾值，則進行擴容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
複製代碼
從代碼看，put方法分爲三種狀況：微信
-
table還沒有初始化，對數據進行初始化數據結構
-
table已經初始化，且經過hash算法找到下標所在的位置數據爲空,直接將數據存放到指定位置多線程
-
table已經初始化，且經過hash算法找到下標所在的位置數據不爲空，發生hash衝突（碰撞），發生碰撞後，會執行如下操做：
- 判斷插入的key若是等於當前位置的key的話，將 e 指向該鍵值對
- 若是此時桶中數據類型爲 treeNode，使用紅黑樹進行插入
- 若是是鏈表，則進行循環判斷， 若是鏈表中包含該節點，跳出循環，若是鏈表中不包含該節點，則把該節點插入到鏈表末尾，同時，若是鏈表長度超過樹化閾值（TREEIFY_THRESHOLD）且table容量超過最小樹化容量（MIN_TREEIFY_CAPACITY），則進行鏈表轉紅黑樹（因爲table容量越小，越容易發生hash衝突，所以在table容量<MIN_TREEIFY_CAPACITY 的時候，若是鏈表長度>TREEIFY_THRESHOLD,會優先選擇擴容，不然會進行鏈表轉紅黑樹操做）
首先分析table還沒有初始化的狀況：
1.2.1 table還沒有初始化
n = (tab = resize()).length;
複製代碼
從代碼能夠看出，table還沒有初始化的時候，會調用resize()方法：
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//一、table已經初始化，且容量 > 0
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
//若是舊的容量已近達到最大值，則再也不擴容，閾值直接設置爲最大值
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//若是舊的容量不小於默認的初始容量，則進行擴容，容量擴張爲原來的二倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//二、閾值大於0 threshold 使用 threshold 變量暫時保存 initialCapacity 參數的值
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
//3 threshold 和 table 皆未初始化狀況，此處即爲首次進行初始化
//也就在此處解釋了構造方法中沒有對threshold 和 初始容量進行賦值的問題
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//若是閾值爲零，表示使用默認的初始化值
//這種狀況在調用無參構造的時候會出現，此時使用默認的容量和閾值
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
//此處閾值即爲 threshold=initialCapacity*loadFactor
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// newThr 爲 0 時，按閾值計算公式進行計算，容量*負載因子
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
//更新閾值
threshold = newThr;
//更新數組桶
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
//若是以前的數組桶裏面已經存在數據，因爲table容量發生變化，hash值也會發生變化，須要從新計算下標
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
//若是指定下標下有數據
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//一、將指定下標數據置空
oldTab[j] = null;
//二、指定下標只有一個數據
if (e.next == null)
//直接將數據存放到新計算的hash值下標下
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//三、若是是TreeNode數據結構
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
//四、對於鏈表，數據結構
else { // preserve order
//若是是鏈表，從新計算hash值，根據新的下標從新分組
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;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
複製代碼
resize方法邏輯比較複雜，須要靜下心來一步步的分析，可是總的下來，分爲如下幾步：
- 首先先判斷當前table是否進行過初始化，若是沒有進行過初始化，此處就解決了調用無參構造方法時候，threshold和initialCapacity 未初始化的問題，若是已經初始化過了，則進行擴容，容量爲原來的二倍
- 擴容後建立新的table，並對全部的數據進行遍歷
- 若是新計算的位置數據爲空，則直接插入
- 若是新計算的位置爲鏈表，則經過hash算法從新計算下標，對鏈表進行分組
- 若是是紅黑樹，則須要進行拆分操做
1.3 get方法，查找
put方法分析完成以後，剩下的就很簡單了，先看一下源碼：
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) {
//一、根據hash算法找到對應位置的第一個數據，若是是指定的key，則直接返回
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
//若是該節點爲紅黑樹，則經過樹進行查找
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
//若是該節點是鏈表，則遍歷查找到數據
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
複製代碼
get方法相對於put來講，邏輯實在是簡單太多了
- 根據hash值查找到指定位置的數據
- 校驗指定位置第一個節點的數據是key是否爲傳入的key，若是是直接返回第一個節點，不然繼續查找第二個節點
- 若是數據是TreeNode（紅黑樹結構），直接經過紅黑樹查找節點數據並返回
- 若是是鏈表結構，循環查找全部節點，返回數據
- 若是沒有找到符合要求的節點，返回null
在這個方法裏面，須要注意的有兩個地方：hash（key）和hash的取模運算 (n - 1) & hash
1.3.1 hash（key）的源碼
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
複製代碼
這段代碼叫作擾動函數，也是hashMap中的hash運算，主要分爲下面幾步：
- key.hashCode()，獲取key的hashCode值，若是不進行重寫的話返回的是根據內存地址獲得的一個int值
- key.hashCode() 獲取到的hashcode無符號右移16位並和元hashCode進行^ ，這樣作的目的是爲了讓高位與低進行混合，讓二者都參與運算，以便讓hash值分佈更加均勻
1.3.2 取模運算 (n - 1) & hash
在hashMap的代碼中，在不少地方都會看到相似的代碼：
first = tab[(n - 1) & hash])
複製代碼
hash算法中，爲了使元素分佈的更加均勻，不少都會使用取模運算，在hashMap中並無使用hash%n這樣進行取模運算，而是使用(n - 1) & hash進行代替，緣由是在計算機中，&的效率要遠高於%；須要注意的是，只有容量爲2的n次冪的時候，(n - 1) & hash 才能等效hash%n，這也是hashMap 初始化初始容量時，不管傳入任何值，都會經過tableSizeFor(int cap) 方法轉化成2的n次冪的緣由，這種巧妙的設計真的很使人驚歎； 至於爲何只有2的n次冪才能這樣進行取模運算，這裏就再也不詳細敘述了，有興趣的能夠看一下一位大佬寫的文章：由HashMap哈希算法引出的求餘%和與運算&轉換問題
1.4 remove方法，刪除
瞭解完get方法以後，咱們再最後瞭解一下remove方法：
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;
//根據key和key的hash值，查找到對應的元素
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);
}
}
//若是查找的了元素node，移除便可
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
//若是是TreeNode，經過樹進行移除
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
//若是是第一個節點，移除第一個節點，將index下標的位置指向第二個節點
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
else
//若是不是鏈表的第一個節點，則移除該節點
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
複製代碼
從源碼能夠看出來，經過key找到須要移除的元素操做過程和get方法幾乎一致，最後在查找到key對應的節點以後，根據節點的位置和類型，進行相應的移除操做就完成了，過程很是簡單
1.4.0 其餘源碼
到這裏，hashMap的源碼基本就解析完成了，其他的方法和源碼邏輯相對很是簡單，大部分仍是使用上述代碼來實現的，例如containsKey（jey），就是使用get方法中的getNode（）來判斷的，因爲篇幅緣由就不一一介紹。
另外，中間有很部分不影響邏輯理解的代碼被一筆帶過，好比 紅黑樹的轉化，查找，刪除等操做，有興趣的能夠本身進行學習，不過還有一些其餘的特性須要提醒一下
最後總結一下：
- HashMap 底層數據結構在JDK1.7以前是由數組+鏈表組成的，1.8以後又加入了紅黑樹；鏈表長度小於8的時候，發生Hash衝突後會增長鏈表的長度，當鏈表長度大於8的時候，會先判讀數組的容量，若是容量小於64會先擴容（緣由是數組容量越小，越容易發生碰撞，所以當容量太小的時候，首先要考慮的是擴容），若是容量大於64，則會將鏈表轉化成紅黑樹以提高效率
- hashMap 的容量是2的n次冪，不管在初始化的時候傳入的初始容量是多少，最終都會轉化成2的n次冪，這樣作的緣由是爲了在取模運算的時候可使用&運算符，而不是%取餘，能夠極大的提上效率，同時也下降hash衝突
- HashMap是非線程安全的，在多線程的操做下會存在異常狀況（如造成閉環（1.7），1.8已修復閉環問題，但仍不安全），可使用HashTable或者ConcurrentHashMap進行代替
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