如下針對JDK 1.8版本中的HashMap進行分析。html
概述
哈希表基於Map接口的實現。此實現提供了全部可選的映射操做，而且容許鍵爲null，值也爲null。HashMap 除了不支持同步操做以及支持null的鍵值外，其功能大體等同於 Hashtable。這個類不保證元素的順序，而且也不保證隨着時間的推移，元素的順序不會改變。java
假設散列函數使得元素在哈希桶中分佈均勻，那麼這個實現對於 put 和 get 等操做提供了常數時間的性能。node
對於一個 HashMap 的實例，有兩個因子影響着其性能：初始容量和負載因子。容量就是哈希表中哈希桶的個數，初始容量就是哈希表被初次建立時的容量大小。負載因子是在進行自動擴容以前衡量哈希表存儲鍵值對的一個指標。當哈希表中的鍵值對超過capacity * loadfactor時，就會進行 resize 的操做。數組
做爲通常規則，默認負載因子（0.75）在時間和空間成本之間提供了良好的折衷。負載因子越大，空間開銷越小，可是查找的開銷變大了。併發
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異常。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。app
源碼分析
主要字段
/** * 初始容量大小 —— 必須是2的冪次方 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 /** * 最大容量 */ static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /** * 默認負載因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * 當鏈表長度超過這個值時轉換爲紅黑樹 */ static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; /** * 樹形閾值，當小於這個值時，紅黑樹轉換爲鏈表 */ static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; /** * The smallest table capacity for which bins may be treeified. * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.) * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts * between resizing and treeification thresholds. */ static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; /** * table 在第一次使用時進行初始化並在須要的時候從新調整自身大小。對於 table 的大小必須是2的冪次方。 */ transient Node<K,V>[] table; /** * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used * for keySet() and values(). */ transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; /** * 鍵值對的個數 */ transient int size; /** * HashMap 進行結構性調整的次數。結構性調整指的是增長或者刪除鍵值對等操做，注意對於更新某個鍵的值不是結構特性調整。 */ transient int modCount; /** * 所能容納的 key-value 對的極限（表的大小 capacity * load factor），達到這個容量時進行擴容操做。 */ int threshold; /** * 負載因子，默認值爲 0.75 */ final float loadFactor;
從上面咱們能夠得知，HashMap中指定的哈希桶數組<u>table.length</u>必須是2的冪次方，這與常規性的把哈希桶數組設計爲素數不同。指定爲2的冪次方主要是在兩方面作優化：函數
- 擴容：擴容的時候，哈希桶擴大爲當前的兩倍，所以只須要進行左移操做
- 取模：因爲哈希桶的個數爲2的冪次，所以能夠用**&**操做來替代耗時的模運算，
n % table.length -> n & (table.length - 1)
哈希函數
/**
* 哈希函數
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
key 的哈希值經過它自身hashCode的高十六位與低十六位進行亦或獲得。這麼作得緣由是由於，因爲哈希表的大小固定爲 2 的冪次方，那麼某個 key 的 hashCode 值大於 table.length，其高位就不會參與到 hash 的計算（對於某個 key 其所在的桶的位置的計算爲 hash & (table.length - 1)）。所以經過hashCode()的高16位異或低16位實現的：(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是從速度、功效、質量來考慮的，保證了高位 Bits 也能參與到 Hash 的計算。源碼分析
tableSizeFor函數
/**
* 返回大於等於capacity的最小2的整數次冪
*/
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;
}
根據註釋能夠知道，這個函數返回大於或等於cap的最小二的整數次冪的值。好比對於3，返回4；對於10，返回16。詳解以下： 假設對於n（32位數）其二進制爲 01xx...xx， n >>> 1，進行無符號右移一位， 001xx..xx，位或得 011xx..xx n >>> 2，進行無符號右移兩位， 00011xx..xx，位或得 01111xx..xx 依此類推，無符號右移四位再進行位或將獲得8個1，無符號右移八位再進行位或將獲得16個1，無符號右移十六位再進行位或將獲得32個1。根據這個咱們能夠知道進行這麼屢次無符號右移及位或操做，那麼可以讓數n的二進制位最高位爲1的後面的二進制位所有變成1。此時進行 +1 操做，便可獲得最小二的整數次冪的值。（《高效程序的奧祕》第3章——2的冪界方 有對此進行進一步討論，可自行查看） 回到上面的程序，之因此在開頭先進行一次 -1 操做，是爲了防止傳入的cap自己就是二的冪次方，此時獲得的就是下一個二的冪次方了，好比傳入4，那麼在不進行 -1 的狀況下，將獲得8。性能
構造函數
/**
* 傳入指定的初始容量和負載因子
*/
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;
//返回2的冪次方
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
對於上面的構造器，咱們須要注意的是this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);這邊的 threshold 爲 2的冪次方，而不是capacity * load factor，固然此處並不是是錯誤，由於此時 table 並無真正的被初始化，初始化動做被延遲到了putVal()當中，因此 threshold 會被從新計算。優化
/**
* 根據指定的容量以及默認負載因子（0.75）初始化一個空的 HashMap 實例
*
* 若是 initCapacity是負數，那麼將拋出 IllegalArgumentException
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 根據默認的容量和負載因子初始化一個空的 HashMap 實例
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/**
* Constructs a new <tt>HashMap</tt> with the same mappings as the
* specified <tt>Map</tt>. The <tt>HashMap</tt> is created with
* default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to
* hold the mappings in the specified <tt>Map</tt>.
*
* @param m the map whose mappings are to be placed in this map
* @throws NullPointerException if the specified map is null
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
查詢
/**
* 返回指定 key 所對應的 value 值，當不存在指定的 key 時，返回 null。
*
* 當返回 null 的時候並不代表哈希表中不存在這種關係的映射，有可能對於指定的 key，其對應的值就是 null。
* 所以能夠經過 containsKey 來區分這兩種狀況。
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* 1.首先經過 key 的哈希值找到其所在的哈希桶
* 2.對於 key 所在的哈希桶只有一個元素，此時就是 key 對應的節點，
* 3.對於 key 所在的哈希桶超過一個節點，此時分兩種狀況：
* 若是這是一個 TreeNode，代表經過紅黑樹存儲，在紅黑樹中查找
* 若是不是一個 TreeNode，代表經過鏈表存儲（鏈地址法），在鏈表中查找
* 4.查找不到相應的 key，返回 null
*/
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) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
<span id="存儲">存儲</span>
/**
* 存儲指定的批量的映射關係對
* @param m 指定的批量的映射關係對
* @param evict 判斷是否移除，最初構造映射關係時爲false，不然爲 true（爲 true 時會執行 afterNodeInsertion 函數）
*/
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) {
if (table == null) { // pre-size
//計算須要的數組桶的大小
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
//超過所能容納的 key-value 對的極限，置 threshold 爲2的冪次方，在 resize 的時候會用到
//因爲此時哈希表爲 null，所以在存儲的時候必定會執行 resize，具體可看 putVal 函數
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
//存儲的映射關係對的數量大於所能容納的 key-value 對的極限時，擴容
} else if (s > threshold)
resize();
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
/**
* 在映射中，將指定的鍵與指定的值相關聯。若是映射關係以前已經有指定的鍵，那麼舊值就會被替換
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict 判斷是否移除，爲 false時，表示哈希表正在建立
*
* 1.判斷哈希表 table 是否爲空，是的話進行擴容操做
* 2.根據鍵 key 計算獲得的 哈希桶數組索引，若是 table[i] 爲空，那麼直接新建節點
* 3.判斷 table[i] 的首個元素是否等於 key，若是是的話就更新舊的 value 值
* 4.判斷 table[i] 是否爲 TreeNode，是的話即爲紅黑樹，直接在樹中進行插入
* 5.遍歷 table[i]，遍歷過程發現 key 已經存在，更新舊的 value 值，不然進行插入操做，插入後發現鏈表長度大於8，則將鏈表轉換爲紅黑樹
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//哈希表 table 爲空，進行擴容操做
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// tab[i] 爲空，直接新建節點
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//tab[i] 首個元素即爲 key，更新舊值
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//當前節點爲 TreeNode，在紅黑樹中進行插入
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//遍歷 tab[i]，key 已經存在，更新舊的 value 值，不然進行插入操做，插入後鏈表長度大於8，將鏈表轉換爲紅黑樹
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//鏈表長度大於8
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key 已經存在
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//key 已經存在，更新舊值
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//HashMap插入元素代表進行告終構性調整
++modCount;
//實際鍵值對數量超過 threshold，進行擴容操做
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
擴容
/**
* 初始化或者對哈希表進行擴容操做。若是當前哈希表爲空，則根據字段閾值中的初始容量進行分配。
* 不然，由於咱們擴容兩倍，那麼對於桶中的元素要麼在原位置，要麼在原位置再移動2次冪的位置。
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
//超過最大容量，再也不進行擴容
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//容量沒有超過最大值，容量變爲原來兩倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//閾值變爲原來兩倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//調用了HashMap的帶參構造器，初始容量用threshold替換，
//在帶參構造器中，threshold的值爲 tableSizeFor() 的返回值，也就是2的冪次方，而不是 capacity * load factor
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//初次初始化，容量和閾值使用默認值
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
//計算新的閾值
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
//如下爲擴容過程的重點
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) {
//將原哈希桶置空，以便GC
oldTab[j] = null;
//當前節點不是以鏈表形式存在，直接計算其應放置的新位置
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//當前節點是TreeNode
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
//節點以鏈表形式存儲
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//原索引 + oldCap
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;
}
由於哈希表使用2次冪的拓展（指長度拓展爲原來的2倍），因此在擴容的時候，元素的位置要麼在原位置，要麼在原位置再移動2次冪的位置。爲何是這麼一個規律呢？咱們假設 n 爲 table 的長度，圖（a）表示擴容前的key1和key2兩種key肯定索引位置的示例，圖（b）表示擴容後key1和key2兩種key肯定索引位置的示例，其中hash1是key1對應的哈希與高位運算結果。 
元素在從新計算hash以後，由於n變爲2倍，那麼n-1的mask範圍在高位多1bit(紅色)，所以新的index就會發生這樣的變化： 所以，咱們在擴容的時候，只須要看看原來的hash值新增的那個 bit 是1仍是0就行了，是0的話索引沒變，是1的話索引變成「原索引+oldCap」，能夠看看下圖爲16擴充爲32的resize示意圖：
刪除
/**
* 刪除指定的 key 的映射關係
*/
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
/**Java
*
* 1.根據 key 的哈希值在哈希桶中查找是否存在這個包含有這個 key 的節點
* 鏈表頭節點是要查找的節點
* 節點是TreeNode，在紅黑樹中查找
* 在鏈表中進行查找
* 2.若是查找到對應的節點，進行刪除操做
* 從紅黑樹中刪除
* 將鏈表頭節點刪除
* 在鏈表中刪除
*
* @param hash key 的 hash 值
* @param key 指定的 key
* @param value 當 matchhValue 爲真時，則要匹配這個 value
* @param matchValue 爲真而且與 value 相等時進行刪除
* @param movable if false do not move other nodes while removing
* @return the node, or null if none
*/
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;
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;
//鏈表頭即爲要刪除的節點
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
//節點爲TreeNode，在紅黑樹中查找是否存在指定的key
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
//在鏈表中查找是否存在指定的key
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
//從紅黑樹中刪除
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
//鏈表頭刪除
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
//鏈表中的元素刪除
else
p.next = node.next;
//進行結構特性調整
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
/**
* 刪除全部的映射關係
*/
public void clear() {
Node<K,V>[] tab;
modCount++;
if ((tab = table) != null && size > 0) {
size = 0;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
//置 null 以便 GC
tab[i] = null;
}
}
問題
- 對於
new HashMap(18)，那麼哈希桶數組的大小是多少 - HashMap 要求哈希桶數組的長度是2的冪次方，這麼設計的目的是爲何
- HashMap 什麼時候對哈希桶數組開闢內存
- 哈希函數是如何設計的，這麼設計的意圖是什麼
- HashMap 擴容的過程，擴容時候對 rehash 進行了什麼優化