關於HashMap容量的初始化，還有這麼多學問。

時間 2020-06-04

標籤關於 hashmap 容量初始化還有學問简体版

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在《HashMap中傻傻分不清楚的那些概念》文章中，咱們介紹了HashMap中和容量相關的幾個概念，簡單介紹了一下HashMap的擴容機制。html

文中咱們提到，默認狀況下HashMap的容量是16，可是，若是用戶經過構造函數指定了一個數字做爲容量，那麼Hash會選擇大於該數字的第一個2的冪做爲容量。(3->四、7->八、9->16)程序員

本文，延續上一篇文章，咱們再來深刻學習下，到底應不該該設置HashMap的默認容量？若是真的要設置HashMap的初始容量，咱們應該設置多少？算法

爲何要設置HashMap的初始化容量

咱們以前提到過，《阿里巴巴Java開發手冊》中建議咱們設置HashMap的初始化容量。app

<img src="http://www.hollischuang.com/wp-content/uploads/2018/05/hash.png" alt="hash" width="673" height="86" class="aligncenter size-full wp-image-2435" />函數

那麼，爲何要這麼建議？你有想過沒有。性能

咱們先來寫一段代碼在JDK 1.7 （jdk1.7.0_79）下面來分別測試下，在不指定初始化容量和指定初始化容量的狀況下性能狀況如何。（jdk 8 結果會有所不一樣，我會在後面的文章中分析）學習

public static void main(String[] args) {
    int aHundredMillion = 10000000;

    Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();

    long s1 = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < aHundredMillion; i++) {
        map.put(i, i);
    }
    long s2 = System.currentTimeMillis();

    System.out.println("未初始化容量，耗時 ： " + (s2 - s1));


    Map<Integer, Integer> map1 = new HashMap<>(aHundredMillion / 2);

    long s5 = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < aHundredMillion; i++) {
        map1.put(i, i);
    }
    long s6 = System.currentTimeMillis();

    System.out.println("初始化容量5000000，耗時 ： " + (s6 - s5));


    Map<Integer, Integer> map2 = new HashMap<>(aHundredMillion);

    long s3 = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < aHundredMillion; i++) {
        map2.put(i, i);
    }
    long s4 = System.currentTimeMillis();

    System.out.println("初始化容量爲10000000，耗時 ： " + (s4 - s3));
}

以上代碼不難理解，咱們建立了3個HashMap，分別使用默認的容量（16）、使用元素個數的一半（5千萬）做爲初始容量、使用元素個數（一億）做爲初始容量進行初始化。而後分別向其中put一億個KV。測試

輸出結果：字體

未初始化容量，耗時 ： 14419
初始化容量5000000，耗時 ： 11916
初始化容量爲10000000，耗時 ： 7984

從結果中，咱們能夠知道，在已知HashMap中將要存放的KV個數的時候，設置一個合理的初始化容量能夠有效的提升性能。spa

固然，以上結論也是有理論支撐的。咱們上一篇文章介紹過，HashMap有擴容機制，就是當達到擴容條件時會進行擴容。HashMap的擴容條件就是當HashMap中的元素個數（size）超過臨界值（threshold）時就會自動擴容。在HashMap中，threshold = loadFactor * capacity。

因此，若是咱們沒有設置初始容量大小，隨着元素的不斷增長，HashMap會發生屢次擴容，而HashMap中的擴容機制決定了每次擴容都須要重建hash表，是很是影響性能的。（關於resize，後面我會有文章單獨介紹）

從上面的代碼示例中，咱們還發現，一樣是設置初始化容量，設置的數值不一樣也會影響性能，那麼當咱們已知HashMap中即將存放的KV個數的時候，容量設置成多少爲好呢？

HashMap中容量的初始化

在上一篇文章中，咱們經過代碼實例其實介紹過，默認狀況下，當咱們設置HashMap的初始化容量時，實際上HashMap會採用第一個大於該數值的2的冪做爲初始化容量。

上一篇文章中有個例子

Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(1);
map.put("hahaha", "hollischuang");

Class<?> mapType = map.getClass();
Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
capacity.setAccessible(true);
System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));

初始化容量設置成1的時候，輸出結果是2。在jdk1.8中，若是咱們傳入的初始化容量爲1，實際上設置的結果也爲1，上面代碼輸出結果爲2的緣由是代碼中map.put("hahaha", "hollischuang");致使了擴容，容量從1擴容到2。

那麼，話題再說回來，當咱們經過HashMap(int initialCapacity)設置初始容量的時候，HashMap並不必定會直接採用咱們傳入的數值，而是通過計算，獲得一個新值，目的是提升hash的效率。(1->一、3->四、7->八、9->16)

在Jdk 1.7和Jdk 1.8中，HashMap初始化這個容量的時機不一樣。jdk1.8中，在調用HashMap的構造函數定義HashMap的時候，就會進行容量的設定。而在Jdk 1.7中，要等到第一次put操做時才進行這一操做。

不論是Jdk 1.7仍是Jdk 1.8，計算初始化容量的算法實際上是一模一樣的，主要代碼以下：

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;

上面的代碼挺有意思的，一個簡單的容量初始化，Java的工程師也有不少考慮在裏面。

上面的算法目的挺簡單，就是：根據用戶傳入的容量值（代碼中的cap），經過計算，獲得第一個比他大的2的冪並返回。

聰明的讀者們，若是讓你設計這個算法你準備如何計算？若是你想到二進制的話，那就很簡單了。舉幾個例子看一下：

請關注上面的幾個例子中，藍色字體部分的變化狀況，或許你會發現些規律。5->八、9->1六、19->3二、37->64都是主要通過了兩個階段。

Step 1，5->7

Step 2，7->8

Step 1，9->15

Step 2，15->16

Step 1，19->31

Step 2，31->32

對應到以上代碼中，Step1：

n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;

對應到以上代碼中，Step2：

return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;

Step 2 比較簡單，就是作一下極限值的判斷，而後把Step 1獲得的數值+1。

Step 1 怎麼理解呢？**實際上是對一個二進制數依次向右移位，而後與原值取或。**其目的對於一個數字的二進制，從第一個不爲0的位開始，把後面的全部位都設置成1。

隨便拿一個二進制數，套一遍上面的公式就發現其目的了：

1100 1100 1100 >>>1 = 0110 0110 0110
1100 1100 1100 | 0110 0110 0110 = 1110 1110 1110
1110 1110 1110 >>>2 = 0011 1011 1011
1110 1110 1110 | 0011 1011 1011 = 1111 1111 1111
1111 1111 1111 >>>4 = 1111 1111 1111
1111 1111 1111 | 1111 1111 1111 = 1111 1111 1111

經過幾回無符號右移和按位或運算，咱們把1100 1100 1100轉換成了1111 1111 1111 ，再把1111 1111 1111加1，就獲得了1 0000 0000 0000，這就是大於1100 1100 1100的第一個2的冪。

好了，咱們如今解釋清楚了Step 1和Step 2的代碼。就是能夠把一個數轉化成第一個比他自身大的2的冪。（能夠開始佩服Java的工程師們了，使用無符號右移和按位或運算大大提高了效率。）

可是還有一種特殊狀況套用以上公式不行，這些數字就是2的冪自身。若是數字4 套用公式的話。獲得的會是 8 ：

Step 1: 
0100 >>>1 = 0010
0100 | 0010 = 0110
0110 >>>1 = 0011
0110 | 0011 = 0111
Step 2:
0111 + 0001 = 1000

爲了解決這個問題，JDK的工程師把全部用戶傳進來的數在進行計算以前先-1，就是源碼中的第一行：

int n = cap - 1;

至此，再來回過頭看看這個設置初始容量的代碼，目的是否是一目瞭然了：

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;

HashMap中初始容量的合理值

當咱們使用HashMap(int initialCapacity)來初始化容量的時候，jdk會默認幫咱們計算一個相對合理的值當作初始容量。那麼，是否是咱們只須要把已知的HashMap中即將存放的元素個數直接傳給initialCapacity就能夠了呢？

關於這個值的設置，在《阿里巴巴Java開發手冊》有如下建議：

這個值，並非阿里巴巴的工程師原創的，在guava（21.0版本）中也使用的是這個值。

public static <K, V> HashMap<K, V> newHashMapWithExpectedSize(int expectedSize) {
    return new HashMap<K, V>(capacity(expectedSize));
}

/**
* Returns a capacity that is sufficient to keep the map from being resized as long as it grows no
* larger than expectedSize and the load factor is ≥ its default (0.75).
*/
static int capacity(int expectedSize) {
    if (expectedSize < 3) {
      checkNonnegative(expectedSize, "expectedSize");
      return expectedSize + 1;
    }
    if (expectedSize < Ints.MAX_POWER_OF_TWO) {
      // This is the calculation used in JDK8 to resize when a putAll
      // happens; it seems to be the most conservative calculation we
      // can make.  0.75 is the default load factor.
      return (int) ((float) expectedSize / 0.75F + 1.0F);
    }
    return Integer.MAX_VALUE; // any large value
}

在return (int) ((float) expectedSize / 0.75F + 1.0F);上面有一行註釋，說明了這個公式也不是guava原創，參考的是JDK8中putAll方法中的實現的。感興趣的讀者能夠去看下putAll方法的實現，也是以上的這個公式。

雖然，當咱們使用HashMap(int initialCapacity)來初始化容量的時候，jdk會默認幫咱們計算一個相對合理的值當作初始容量。可是這個值並無參考loadFactor的值。

也就是說，若是咱們設置的默認值是7，通過Jdk處理以後，會被設置成8，可是，這個HashMap在元素個數達到 8*0.75 = 6的時候就會進行一次擴容，這明顯是咱們不但願見到的。

若是咱們經過expectedSize / 0.75F + 1.0F計算，7/0.75 + 1 = 10 ,10通過Jdk處理以後，會被設置成16，這就大大的減小了擴容的概率。

當HashMap內部維護的哈希表的容量達到75%時（默認狀況下），會觸發rehash，而rehash的過程是比較耗費時間的。因此初始化容量要設置成expectedSize/0.75 + 1的話，能夠有效的減小衝突也能夠減少偏差。

因此，我能夠認爲，當咱們明確知道HashMap中元素的個數的時候，把默認容量設置成expectedSize / 0.75F + 1.0F 是一個在性能上相對好的選擇，可是，同時也會犧牲些內存。

總結

當咱們想要在代碼中建立一個HashMap的時候，若是咱們已知這個Map中即將存放的元素個數，給HashMap設置初始容量能夠在必定程度上提高效率。

可是，JDK並不會直接拿用戶傳進來的數字當作默認容量，而是會進行一番運算，最終獲得一個2的冪。緣由在（全網把Map中的hash()分析的最透徹的文章，別無二家。）介紹過，獲得這個數字的算法實際上是使用了使用無符號右移和按位或運算來提高效率。

可是，爲了最大程度的避免擴容帶來的性能消耗，咱們建議能夠把默認容量的數字設置成expectedSize / 0.75F + 1.0F 。在平常開發中，可使用

Map<String, String> map = Maps.newHashMapWithExpectedSize(10);

來建立一個HashMap，計算的過程guava會幫咱們完成。

可是，以上的操做是一種用內存換性能的作法，真正使用的時候，要考慮到內存的影響。

最後，留一個思考題：爲何JDK 8中，putAll方法採用了這個expectedSize / 0.75F + 1.0F公式，而put、構造函數等並無默認使用這個公式呢？

關於做者：Hollis，一個對Coding有着獨特追求的人，某互聯網公司技術專家，我的技術博主，技術文章全網閱讀量數千萬，《程序員的三門課》聯合做者。

原文出處：https://www.cnblogs.com/hollischuang/p/11974886.html

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