Java基礎系列：瞭解HashMap
來，進來的小夥伴們，咱們認識一下。html
我是俗世遊子，在外流浪多年的Java程序猿java
前言
前面兩篇咱們聊了聊關於集合容器中的List集合，其中包含兩個子類：node
- ArrayList
- LinkedList
若是尚未看過的小夥伴，能夠先返回去看看面試
我在LinkedList中留下了幾個思考問題，不知道有沒有想到的，咱們在評論區裏探討探討啊api
這篇咱們聊一聊Map，咱們再回顧一下，前面介紹的時候，咱們說過，Map和List很大的一個區別在於：數組
- List存儲數據是單一元素，而Map存儲數據是K-V形式存儲的
爲何要有K,V形式來存儲數據？
在傳統的系統中，咱們的數據大概10W，百W的存儲就足夠了，可是在一些特殊的應用或者大數據平臺中，涉及到千萬甚至更多的數據，安全
本人在上家公司開發的廣告投放系統中，天天至少會產生2000W的數據數據結構
這時若是咱們想從其中查找到某一條數據就很是麻煩，涉及到性能等的問題，而經過K,V形式存儲，咱們就至關於對某一個值添加了索引，經過這個索引咱們就能很快定位到數據，提升系統的性能。oracle
關於K,V形式的存儲，咱們在工做中還會用到如：less
- Session
- Redis
- HBase
- ...
好，瞭解到這一點以後，咱們繼續日後看。
前面咱們講到，集合中全部的父類是Collection，可是Map是單獨的一套接口，這裏不能混在一塊兒，下面咱們來看看Map的實現子類：
- HashMap
- LinkedHashMap
- TreeMap
瞭解ArrayList中我也給出了一張思惟導圖
咱們就一個一個來看
最重要的一點：面試出場率賊高了【9月份面試一個月，80%的公司都有問到（當時不懂啊-_-||）】
這裏，在聊今天的主角：HashMap以前，咱們先來簡單的認識一下什麼是哈希表
HashMap很長，文采略爛，你們要有耐心哦
哈希表
什麼是哈希表？
也叫散列表，是根據關鍵碼值(Key value)而直接進行訪問的一種數據結構。也就是說，它經過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，以加快查找的速度
來源：百度百科
PS：概念都不是人話，不用記他，直接看結構
哈希表分爲多種類型，下面咱們來看到的是在HashMap底層實現的結構：
上面是一個數組，在內存中是一塊連續的內存空間，Key值取到hashCode碼而後再對數組長度作取模操做，獲得對應的下標位置，而後將Value值放到對應下標位置的地方；若是在對應下標位置的地方存在元素，那麼就已鏈表的形式追加
這種方式在散列函數中稱爲：除法散列法
取值也是同樣：經過關鍵key的哈希取到對應下標以後，若是對應位置只有一個數據，那麼就直接取出，不然就在鏈表中進行比對而後再取出對應的數據
簡單對哈希表認識一下，咱們繼續聊HashMap
HashMap
背景說明：JDK1.8
老規矩，咱們來先來看一看HashMap的一個類分佈圖
操做方法
屬性值介紹
咱們都是這樣來構造HashMap的：
Map<String, String> hashMap = new HashMap<>(); Map<String, String> hashMap = new HashMap<>(20);
這樣一個無參的構造方式，咱們來看看具體作了什麼？
/**MUST be a power of two.*/
// 默認初始化長度
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 負載因子，負責斷定數據存儲到什麼地步的時候進行擴容
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
按照咱們以前的經驗，存儲數據須要在內存中開闢空間，可是在HashMap的構造方法中並無這麼作，包括其餘有參的構造方法：
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
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);
}
// 除外，傳遞參數不一樣，
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
這裏值得咱們借鑑：若是直接在定義構造方法的時候就在內存中開闢空間的話，若是不存儲數據的話，那麼這塊內存不就被浪費了麼
前面咱們都知道，在定義數組的時候須要指定數組的長度，而哈希表中有采用數組的結構，那麼若是不定義指定長度的話，默認的一個長度就是屬性值：DEFAULT_INITIAL_CAPACITY，等於 16。
咱們重點還要關注它的註釋：MUST be a power of two WHY?
在Hashtable中，是按照除法散列法中的規範來作的：也就是上面說的不太接近2的整數冪的素數，可是爲何在HashMap中就沒有采用這種規範，而是要採用2的N次冪呢？咱們後面再具體說
一樣，咱們還要在關注一個點：
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;
}
經過計算，獲得離傳遞參數最近的2的N次冪的數，因此說，哪怕傳遞的參數不知足規定，在代碼中也會幫咱們進行調整
一樣在HashMap中還存在一個屬性loadFactor：表示負載因子，簡單來講就是該屬性決定了HashMap容器空間何時該擴容，默認是0.75
好比：初始長度爲16，負載因子是0.75，那麼當容器中存儲了> (16 * 0.75 = 12)的時候，就會進行擴容操做
下面咱們再來看兩個屬性
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
這兩個屬性值是在JDK1.8以後加進來的，簡單來講就是：當鏈表長度>8的時候，鏈表會轉成紅黑樹的結構存儲數據，當紅黑樹的節點<6個的時候，會轉成鏈表的形式
- 也就是說，在JDK1.8中，HashMap的底層結構採用的是哈希表+紅黑樹的形式
也就是下面的結構：
關於爲何是8轉紅黑樹？
在屬性值
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY上面有一段註釋，給出了分析：/* * the frequency of * nodes in bins follows a Poisson distribution * (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a * parameter of about 0.5 on average for the default resizing * threshold of 0.75, although with a large variance because of * resizing granularity. Ignoring variance, the expected * occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) / * factorial(k)). The first values are: * * 0: 0.60653066 * 1: 0.30326533 * 2: 0.07581633 * 3: 0.01263606 * 4: 0.00157952 * 5: 0.00015795 * 6: 0.00001316 * 7: 0.00000094 * 8: 0.00000006 * more: less than 1 in ten million * */也就是說，經過計算，在k=8的時候，接近於0，因此定義爲8，提高檢索的效率，這裏涉及到一個叫作《泊松分佈》：這是一種統計與機率學裏常見到的離散機率分佈
介紹的話推薦你們看這一篇：如何通俗理解泊松分佈
方法說明
瞭解完基本的屬性值以後，咱們來看具體的操做方法，仍是同樣的，在此以前咱們來看兩個類：
- Node
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;
}
// ...
}
這個類你們確定不陌生，前面在聊LinkedList的時候就已經見過了，不過這個是單向鏈表的方式
- TreeNode
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
//...
}
這是關於紅黑樹的具體類
下面咱們繼續，
put
咱們是這樣調用的：
hashMap.put("key1", "value1");
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
前面也說到，肯定關鍵值Key在數組中的位置，那麼咱們先來看看是如何進行hash運算的：
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
爲了可以讓計算出來索引位置更分散，因此先(h >>> 16)，一樣，再經過 ^運算讓哈希值的高低位都能參與運算，從而減小哈希碰撞的概率
擾動函數
下面咱們看具體的實現：
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)
n = (tab = resize()).length; // 註釋1
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // 註釋2
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 註釋4
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);// 註釋5.2
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 鏈表的插入過程
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // 註釋5
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // 註釋4.2
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold) // 註釋3
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
開闢空間和擴容
前面說到，在構造方法中什麼都沒作，只有在實際添加元素的時候纔會開闢空間。在上面註釋1的地方就是開闢空間的過程，同時在註釋3的地方，該方法也是咱們擴容的過程，調用的都是同一個方法resize()：
一步步來，先剖析
putVal()方法，而後咱們在來看resize()
在第一次put()，只是建立了一個Node數組，沒有其餘操做， 也就是在內存中開闢空間，而後咱們繼續往下看
計算索引下標
第一次put()元素，那麼確定會進入到註釋2的位置，經過 & 來計算當前元素所處的下標位置並賦值
同時，若是以前有看過JDK1.7的源碼的話，會發如今1.7中有這樣一個方式：
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length - 1);
}
在JDK1.8中：
i = (n - 1) & hash
舉個例子：
(n-1)以後的二進制： 01111
hash = 18，轉成二進制： 10010
&運算以後： 00010
經過計算，i=2
在設置成2的N次冪以後，在計算下標位置的時候能夠保證(n-1)的後幾位必定是1，方便進行 & 運算，而&的效率要高於%運算。
多用用位運算符，那不是擺設。O(∩_∩)O
繼續調用put()添加元素，註釋4和註釋4.2是相輔相成的，走到這裏會判斷key是否存在，若是存在key，那麼e仍是會獲得從HashMap中數組索引位置上獲得的key，在註釋4.2的地方將value進行賦值操做，也就是覆蓋原先的值並返回舊值。
也就是說：在HashMap，不存在重複元素，若是在同一個key上存儲了多個元素，那麼只會存儲最新的元素
hashMap.put("key1", "value1");
hashMap.put("key1", "value2");
System.out.println(hashMap);
// {key1=value2}
轉紅黑樹存儲數據
前面咱們也說過，HashMap在JDK1.8的版本中：當鏈表長度>8的時候會將存儲結構轉成紅黑樹來存儲，那麼在註釋5的地方咱們就獲得了驗證，一樣，咱們來看一下轉換過程：
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
前面咱們已經看過TreeNode這個類，這樣也就對應到了咱們上面的底層結構圖
同時咱們能夠看到註釋5.2的地方，若是存儲已經轉換成紅黑樹的形式，那麼就對紅黑樹進行插入操做
紅黑樹後面聊
resize()
接下來咱們看resize()，上面知道初始化的時候是建立數組的過程，那麼咱們看有值的時候作了什麼事情
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = 16
int oldThr = threshold; // oldThr = 12
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && // newCap = 32
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold // newThr = 24
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
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) {
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 { // preserve order
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;
}
後面註釋舉了個小栗子。咱們也能夠看到
- 容器長度的擴容是成倍擴容的
- 判斷容器擴容的依據，也就是說在初始經過（容器長度 * 負載因子）獲得的擴容依據的數也會成倍增加的，因此這裏咱們要注意一下
數據遷移
在JDK1.8中數據遷移是判斷：當前hash & 舊容器長度的結果：
- 若是結果是0，在新數組中仍是在老位置
- 若是結果不是0，那麼在新數組中的位置爲：原數組中的位置 + 原數組的容器長度
具體邏輯在這裏：
// e.hash = 65 經過計算爲0，
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// e.hash = 6366 經過計算不爲0，走else
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
// 原數組中的位置和新數組中位置相同
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 新數組中的位置改變
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
HashMap關鍵點也就聊完了，下面咱們來總結一下
總結
- HashMap底層採用哈希表+紅黑樹的結構來存儲，無序存儲。當哈希錶鏈表長度>8的時候會將鏈表轉成紅黑樹，判斷基準是經過採用泊松分佈通過驗證以後得出的結論；而後在當紅黑樹的節點<6的時候將紅黑樹的結構轉回到鏈表（官方沒有明確表示爲何是6）
- HashMap在默認狀況下容器長度爲：16，且若是須要擴容的話，那麼會擴容當前容器長度的2倍。且達到擴容的條件時當前容器長度*負載因子，在後續擴容過程當中，擴容條件爲成倍擴容
- 這裏咱們在構造的時候也能夠傳入固定參數，可是這裏須要注意：若是須要自定義容器長度的話，最好定義的長度是2的N次冪：
- 由於在經過key的哈希值查找數組索引的時候會採用
&計算，性能對比%更高
- 由於在經過key的哈希值查找數組索引的時候會採用
- 同時在數據遷移的過程當中，判斷key的哈希值與原數組長度經過運算以後是否爲0，等於0的話就是在新數組中的下標位置不變，不然的話就等於將當前下標位置 + 原數組的長度即在新數組中的索引位置
- HashMap是線程不安全的類，若是想要保證線程安全的話：
- 本身加鎖
- Collections.synchronizedMap()
- 採用ConcurrentHashMap
文檔
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