【源碼分析】HashMap源碼再讀-基於Java8

最近工做不是太忙，準備再讀讀一些源碼，想來想去，仍是先從JDK的源碼讀起吧，畢竟好久不去讀了，不少東西都生疏了。固然，仍是先從煊赫一時的HashMap，每次讀都會有一些收穫。固然，JDK8對HashMap有一次優化

1、一些參數

咱們首先看到的，應該是它的一些基本參數，這對於咱們瞭解HashMap有必定的做用。他們分別是：

參數	說明
capacity	容量，默認爲16，最大爲2^30
loadFactor	加載因子，默認0.75
threshold	resize的閾值，capacity * loadFactor，元素數量達到這個值後就必須擴容
treeify_threshold	紅黑樹的閾值，數組中的某個節點下掛的節點數大於這個值以後，節點的數據結構就會從鏈表變爲紅黑樹

2、重要方法

咱們知道，HashMap底層是經過數組+鏈表來實現的。具體的圖網上有不少，咱們主要看看幾個重要的方法。

2.1 構造方法

他的構造方法，最本質的構造方法是：

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);
}

前面幾行就是作一些基本的檢查，咱們看到，HashMap的最大容量是MAXIMUM_CAPACITY，也就是2^30，咱們平常使用時可能達不到這樣的容量，可是若是真的須要在Map存儲這麼多的數據，仍是建議存在其餘的地方吧。固然，最後一行中時爲了計算下一次resize的容量閾值，也就是計算出下一次resize的threshold。

2.2 計算容量

這個方法較簡單，直接返回的是一個size的值，這個參數的含義就是當前Map中存儲的KV對的數量，而不是整個Map的容量。

public int size() {
    return size;
}

2.3 put(K,V)

這個方法是HashMap中比較重要的一個方法，咱們仔細分析一下。

2.3.1 主入口

首先，方法的入口是這個，也就是咱們常用的就是這個方法：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

咱們主要看的，就是put的整個過程。

2.3.2 hash(key)

首先就是對咱們傳入的key，進行hash計算。

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

從這個方法，咱們能夠看到，HashMap的key是能夠爲null的，若是是null的話，那麼咱們的hash方法返回的hash值是0。

若是key不是null，那麼調用的是HashMap自己的hashCode方法，也就是咱們的bean中自定義的hashCode()。不要覺得這樣就結束了。咱們通常來講，一個key的hash值的範圍也就是int的範圍（從-2147483648到2147483648），可是HashMap的容量是有限的，必須把hash值可以分散到HashMap的數組中去。HashMap爲了key在數組中更加分散，還會進行一次計算，也就是咱們看到的第二行的方法。具體這塊是如何分配均勻的，能夠參考這篇文章。

2.3.3 putVal()

這個方法就是將KV放到對應的桶中。這個方法的過程，比較清晰。

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)
        //若是以前的數組爲空，那麼新建一個默認的數組
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        //若是hash值計算出來在數組中的位置上，沒有元素，那麼直接插入到數組中
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            //若是算出的hash存在，並且kv徹底一致的話，那麼目前什麼也不作
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            //若是數組中的元素是紅黑樹，那麼將kv插入到紅黑樹中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    //若是hash的桶中，已經存在了一個鏈表，那麼新增一個節點，放到鏈表的尾部
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //若是鏈表的長度大於樹化的閾值，那麼將鏈表轉爲紅黑樹
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        //若是當前數組中存在相同的kv，那麼根據是否替換來判斷，若是不替換，那麼就不替換
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        //若是空間須要進行擴容，那麼進行resize操做
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

至此，putVal的方法過程基本上清楚了，可是裏面有個很是重要的方法，就是resize，咱們下面就進入resize方法，看看究竟是如何擴容的。

2.4 resize()

這個過程是HashMap擴容的過程，也是須要重點理解的一塊。
咱們首先看下第一部分。

2.4.1 肯定容量和擴容閾值

Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
    //若是目前容量已是最大容量，那麼擴容閾值爲int的最大值，全部的節點都不須要移動
    if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return oldTab;
    }
    //若是oldCap*2小於最大容量，而且oldCap>=16，擴容爲2倍，擴容閾值也*2
    else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
        newThr = oldThr << 1;
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
    newCap = oldThr;
else {// 默認值
    newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {//計算新的擴容閾值
    float ft = (float)newCap * loadFactor;
    newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
              (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;

這個過程，主要是肯定新的容量和擴容閾值。

2.4.2 節點移動

if (oldTab != null) {
    for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//遍歷老的數組
        Node<K,V> e;
        if ((e = oldTab[j]) != null) {
            oldTab[j] = null;
            if (e.next == null)//若是老的鏈表，只有一個KV，直接將這個KV放到新的數組鏈表中
                newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
            else if (e instanceof TreeNode)//若是老的是紅黑樹，須要將紅黑樹中的每一個元素都拆分到新的數組和鏈表/紅黑樹中
                ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
            else { // 若是節點是鏈表，並且不止一個KV的狀況下，須要對鏈表進行處理，處理的過程，光看代碼理解起來較困難，須要經過例子來理解
                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;
                }
            }
        }
    }
}

咱們須要知道，座標點的計算方法是e.hash & (cap-1)。

沒有進行擴容時，假設原來的cap=16，也就是默認值，擴容後容量爲32。對於hash值爲5（二進制爲0000 0101）和21（二進制爲0001 0101）的元素來說，計算座標，也就是和15（二進制爲0000 1111）計算後的座標點都是5，會落到同一個鏈表中。

可是擴容後，須要求與的變成了31（二進制爲0001 1111），算出來的座標點分別爲5和21，第二個座標點增長了oldCap的長度。

此時再看e.hash & oldCap的計算結果，也就是將5和21和16（二進制爲0001 0000）求與，獲得的結果分別是0和16（!=0）。能夠看到，當e.hash & oldCap獲得0時，座標不須要進行變更，也就是不須要在數組中的位置不須要移動。若是結果不爲0，須要在原來座標的位置，增長oldCap。

這裏的lo和hi也就是兩個鏈表，表示的是低位和高位的兩條鏈表。

3、線程不安全的問題

咱們都知道，HashMap不是線程安全的。這塊主要體如今兩塊：

3.1 get和put

這兩塊都沒有加鎖，因此可能會致使多線程執行時，出現數據被覆蓋的問題。

3.2 死循環的問題

這個問題主要出如今resize的過程當中，多線程都探測到須要resize時，將鏈表元素rehash過程當中，可能會致使死循環。這個問題參考這篇文章。

至此，源碼分析基本結束，咱們還能夠思考，爲何cap必須是2的冪次，咱們應該如何正確的初始化HashMap等。

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