JAVA hashmap詳解

1.    HashMap概述：

   HashMap是基於哈希表的Map接口的非同步實現。此實現提供全部可選的映射操做，並容許使用null值和null鍵。此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。

 

2.    HashMap的數據結構：

   在java編程語言中，最基本的結構就是兩種，一個是數組，另一個是模擬指針（引用），全部的數據結構均可以用這兩個基本結構來構造的，HashMap也不例外。HashMap其實是一個「鏈表散列」的數據結構，即數組和鏈表的結合體。

   從上圖中能夠看出，HashMap底層就是一個數組結構，數組中的每一項又是一個鏈表。當新建一個HashMap的時候，就會初始化一個數組。

   源碼以下：

 

/**
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
 */
transient Entry[] table;

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    final int hash;
    ……
}

/**
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
 */
transient Entry[] table;

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    final int hash;
    ……
}

   能夠看出，Entry就是數組中的元素，每一個 Map.Entry 其實就是一個key-value對，它持有一個指向下一個元素的引用，這就構成了鏈表。

 

3.    HashMap的存取實現：

   1) 存儲：

 

public V put(K key, V value) {
    // HashMap容許存放null鍵和null值。
    // 當key爲null時，調用putForNullKey方法，將value放置在數組第一個位置。
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // 根據key的keyCode從新計算hash值。
    int hash = hash(key.hashCode());
    // 搜索指定hash值在對應table中的索引。
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 若是 i 索引處的 Entry 不爲 null，經過循環不斷遍歷 e 元素的下一個元素。
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        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;
        }
    }
    // 若是i索引處的Entry爲null，代表此處尚未Entry。
    modCount++;
    // 將key、value添加到i索引處。
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

public V put(K key, V value) {
    // HashMap容許存放null鍵和null值。
    // 當key爲null時，調用putForNullKey方法，將value放置在數組第一個位置。
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // 根據key的keyCode從新計算hash值。
    int hash = hash(key.hashCode());
    // 搜索指定hash值在對應table中的索引。
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 若是 i 索引處的 Entry 不爲 null，經過循環不斷遍歷 e 元素的下一個元素。
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        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;
        }
    }
    // 若是i索引處的Entry爲null，代表此處尚未Entry。
    modCount++;
    // 將key、value添加到i索引處。
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

 

   從上面的源代碼中能夠看出：當咱們往HashMap中put元素的時候，先根據key的hashCode從新計算hash值，根據hash值獲得這個元素在數組中的位置（即下標），若是數組該位置上已經存放有其餘元素了，那麼在這個位置上的元素將以鏈表的形式存放，新加入的放在鏈頭，最早加入的放在鏈尾。若是數組該位置上沒有元素，就直接將該元素放到此數組中的該位置上。

   addEntry(hash, key, value, i)方法根據計算出的hash值，將key-value對放在數組table的i索引處。addEntry 是 HashMap 提供的一個包訪問權限的方法，代碼以下：

 

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 獲取指定 bucketIndex 索引處的 Entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 將新建立的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，並讓新的 Entry 指向原來的 Entry
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    // 若是 Map 中的 key-value 對的數量超過了極限
    if (size++ >= threshold)
    // 把 table 對象的長度擴充到原來的2倍。
        resize(2 * table.length);
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 獲取指定 bucketIndex 索引處的 Entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 將新建立的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，並讓新的 Entry 指向原來的 Entry
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    // 若是 Map 中的 key-value 對的數量超過了極限
    if (size++ >= threshold)
    // 把 table 對象的長度擴充到原來的2倍。
        resize(2 * table.length);
}

 

   當系統決定存儲HashMap中的key-value對時，徹底沒有考慮Entry中的value，僅僅只是根據key來計算並決定每一個Entry的存儲位置。咱們徹底能夠把 Map 集合中的 value 當成 key 的附屬，當系統決定了 key 的存儲位置以後，value 隨之保存在那裏便可。

   hash(int h)方法根據key的hashCode從新計算一次散列。此算法加入了高位計算，防止低位不變，高位變化時，形成的hash衝突。

 

static int hash(int h) {
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

static int hash(int h) {
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

 

 

   咱們能夠看到在HashMap中要找到某個元素，須要根據key的hash值來求得對應數組中的位置。如何計算這個位置就是hash算法。前面說過HashMap的數據結構是數組和鏈表的結合，因此咱們固然但願這個HashMap裏面的元素位置儘可能的分佈均勻些，儘可能使得每一個位置上的元素數量只有一個，那麼當咱們用hash算法求得這個位置的時候，立刻就能夠知道對應位置的元素就是咱們要的，而不用再去遍歷鏈表，這樣就大大優化了查詢的效率。

   對於任意給定的對象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那麼程序調用 hash(int h) 方法所計算獲得的 hash 碼值老是相同的。咱們首先想到的就是把hash值對數組長度取模運算，這樣一來，元素的分佈相對來講是比較均勻的。可是，「模」運算的消耗仍是比較大的，在HashMap中是這樣作的：調用 indexFor(int h, int length) 方法來計算該對象應該保存在 table 數組的哪一個索引處。indexFor(int h, int length) 方法的代碼以下：

 

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

 

 

   這個方法很是巧妙，它經過 h & (table.length -1) 來獲得該對象的保存位，而HashMap底層數組的長度老是 2 的 n 次方，這是HashMap在速度上的優化。在 HashMap 構造器中有以下代碼：

int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;

int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;

   這段代碼保證初始化時HashMap的容量老是2的n次方，即底層數組的長度老是爲2的n次方。

當length老是 2 的n次方時，h& (length-1)運算等價於對length取模，也就是h%length，可是&比%具備更高的效率。

   這看上去很簡單，其實比較有玄機的，咱們舉個例子來講明：

   假設數組長度分別爲15和16，優化後的hash碼分別爲8和9，那麼&運算後的結果以下：

       h & (table.length-1)                     hash                             table.length-1

       8 & (15-1)：                                 0100                   &              1110                   =                0100

       9 & (15-1)：                                 0101                   &              1110                   =                0100

       -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

       8 & (16-1)：                                 0100                   &              1111                   =                0100

       9 & (16-1)：                                 0101                   &              1111                   =                0101

  

   從上面的例子中能夠看出：當它們和15-1（1110）「與」的時候，產生了相同的結果，也就是說它們會定位到數組中的同一個位置上去，這就產生了碰撞，8和9會被放到數組中的同一個位置上造成鏈表，那麼查詢的時候就須要遍歷這個鏈表，獲得8或者9，這樣就下降了查詢的效率。同時，咱們也能夠發現，當數組長度爲15的時候，hash值會與15-1（1110）進行「與」，那麼最後一位永遠是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101這幾個位置永遠都不能存放元素了，空間浪費至關大，更糟的是這種狀況中，數組可使用的位置比數組長度小了不少，這意味着進一步增長了碰撞的概率，減慢了查詢的效率！而當數組長度爲16時，即爲2的n次方時，2ⁿ-1獲得的二進制數的每一個位上的值都爲1，這使得在低位上&時，獲得的和原hash的低位相同，加之hash(int h)方法對key的hashCode的進一步優化，加入了高位計算，就使得只有相同的hash值的兩個值纔會被放到數組中的同一個位置上造成鏈表。

   

   因此說，當數組長度爲2的n次冪的時候，不一樣的key算得得index相同的概率較小，那麼數據在數組上分佈就比較均勻，也就是說碰撞的概率小，相對的，查詢的時候就不用遍歷某個位置上的鏈表，這樣查詢效率也就較高了。

   根據上面 put 方法的源代碼能夠看出，當程序試圖將一個key-value對放入HashMap中時，程序首先根據該 key 的 hashCode() 返回值決定該 Entry 的存儲位置：若是兩個 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它們的存儲位置相同。若是這兩個 Entry 的 key 經過 equals 比較返回 true，新添加 Entry 的 value 將覆蓋集合中原有 Entry 的 value，但key不會覆蓋。若是這兩個 Entry 的 key 經過 equals 比較返回 false，新添加的 Entry 將與集合中原有 Entry 造成 Entry 鏈，並且新添加的 Entry 位於 Entry 鏈的頭部——具體說明繼續看 addEntry() 方法的說明。

 

 

   2) 讀取：

 

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    int hash = hash(key.hashCode());
    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.equals(k)))
            return e.value;
    }
    return null;
}

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    int hash = hash(key.hashCode());
    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.equals(k)))
            return e.value;
    }
    return null;
}

 

 

   有了上面存儲時的hash算法做爲基礎，理解起來這段代碼就很容易了。從上面的源代碼中能夠看出：從HashMap中get元素時，首先計算key的hashCode，找到數組中對應位置的某一元素，而後經過key的equals方法在對應位置的鏈表中找到須要的元素。

  

   3) 概括起來簡單地說，HashMap 在底層將 key-value 當成一個總體進行處理，這個總體就是一個 Entry 對象。HashMap 底層採用一個 Entry[] 數組來保存全部的 key-value 對，當須要存儲一個 Entry 對象時，會根據hash算法來決定其在數組中的存儲位置，在根據equals方法決定其在該數組位置上的鏈表中的存儲位置；當須要取出一個Entry時，也會根據hash算法找到其在數組中的存儲位置，再根據equals方法從該位置上的鏈表中取出該Entry。

 

4.    HashMap的resize（rehash）：

   當HashMap中的元素愈來愈多的時候，hash衝突的概率也就愈來愈高，由於數組的長度是固定的。因此爲了提升查詢的效率，就要對HashMap的數組進行擴容，數組擴容這個操做也會出如今ArrayList中，這是一個經常使用的操做，而在HashMap數組擴容以後，最消耗性能的點就出現了：原數組中的數據必須從新計算其在新數組中的位置，並放進去，這就是resize。

   那麼HashMap何時進行擴容呢？當HashMap中的元素個數超過數組大小*loadFactor時，就會進行數組擴容，loadFactor的默認值爲0.75，這是一個折中的取值。也就是說，默認狀況下，數組大小爲16，那麼當HashMap中元素個數超過16*0.75=12的時候，就把數組的大小擴展爲 2*16=32，即擴大一倍，而後從新計算每一個元素在數組中的位置，而這是一個很是消耗性能的操做，因此若是咱們已經預知HashMap中元素的個數，那麼預設元素的個數可以有效的提升HashMap的性能。

 

 

5.    HashMap的性能參數：

   HashMap 包含以下幾個構造器：

   HashMap()：構建一個初始容量爲 16，負載因子爲 0.75 的 HashMap。

   HashMap(int initialCapacity)：構建一個初始容量爲 initialCapacity，負載因子爲 0.75 的 HashMap。

   HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的負載因子建立一個 HashMap。

   HashMap的基礎構造器HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)帶有兩個參數，它們是初始容量initialCapacity和加載因子loadFactor。

   initialCapacity：HashMap的最大容量，即爲底層數組的長度。

   loadFactor：負載因子loadFactor定義爲：散列表的實際元素數目(n)/ 散列表的容量(m)。

   負載因子衡量的是一個散列表的空間的使用程度，負載因子越大表示散列表的裝填程度越高，反之愈小。對於使用鏈表法的散列表來講，查找一個元素的平均時間是O(1+a)，所以若是負載因子越大，對空間的利用更充分，然然後果是查找效率的下降；若是負載因子過小，那麼散列表的數據將過於稀疏，對空間形成嚴重浪費。

   HashMap的實現中，經過threshold字段來判斷HashMap的最大容量：

threshold = (int)(capacity * loadFactor);

threshold = (int)(capacity * loadFactor);

   結合負載因子的定義公式可知，threshold就是在此loadFactor和capacity對應下容許的最大元素數目，超過這個數目就從新resize，以下降實際的負載因子。默認的的負載因子0.75是對空間和時間效率的一個平衡選擇。當容量超出此最大容量時， resize後的HashMap容量是容量的兩倍：

 

if (size++ >= threshold)
    resize(2 * table.length);

if (size++ >= threshold)
    resize(2 * table.length);

 

6.    Fail-Fast機制：

   咱們知道java.util.HashMap不是線程安全的，所以若是在使用迭代器的過程當中有其餘線程修改了map，那麼將拋出ConcurrentModificationException，這就是所謂fail-fast策略。

   這一策略在源碼中的實現是經過modCount域，modCount顧名思義就是修改次數，對HashMap內容的修改都將增長這個值，那麼在迭代器初始化過程當中會將這個值賦給迭代器的expectedModCount。

 

HashIterator() {
    expectedModCount = modCount;
    if (size > 0) { // advance to first entry
    Entry[] t = table;
    while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
        ;
    }
}

HashIterator() {
    expectedModCount = modCount;
    if (size > 0) { // advance to first entry
    Entry[] t = table;
    while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
        ;
    }
}

 

 

   在迭代過程當中，判斷modCount跟expectedModCount是否相等，若是不相等就表示已經有其餘線程修改了Map：

   注意到modCount聲明爲volatile，保證線程之間修改的可見性。

 

final Entry<K,V> nextEntry() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();

final Entry<K,V> nextEntry() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();

 

   在HashMap的API中指出：

   由全部HashMap類的「collection 視圖方法」所返回的迭代器都是快速失敗的：在迭代器建立以後，若是從結構上對映射進行修改，除非經過迭代器自己的 remove 方法，其餘任什麼時候間任何方式的修改，迭代器都將拋出 ConcurrentModificationException。所以，面對併發的修改，迭代器很快就會徹底失敗，而不冒在未來不肯定的時間發生任意不肯定行爲的風險。

   注意，迭代器的快速失敗行爲不能獲得保證，通常來講，存在非同步的併發修改時，不可能做出任何堅定的保證。快速失敗迭代器盡最大努力拋出 ConcurrentModificationException。所以，編寫依賴於此異常的程序的作法是錯誤的，正確作法是：迭代器的快速失敗行爲應該僅用於檢測程序錯誤。

 

 

轉載自http://blog.csdn.net/xiancaieeee/article/details/7768506