HashMap 源碼閱讀
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HashMap 源碼閱讀
以前讀過一些類的源碼，近來發現都忘了，再讀一遍整理記錄一下。此次讀的是 JDK 11 的代碼，貼上來的源碼會去掉大部分的註釋, 也會加上一些本身的理解。node
Map 接口
這裏提一下 Map 接口與1.8相比 Map接口又新增了幾個方法：
數組
- 這些方法都是包私有的static方法；
of()方法分別返回包含 0 - 9 個鍵值對的不可修改的Map；ofEntries()方法返回包含從給定的entries總提取出來的鍵值對的不可修改的* Map（不會包含給定的entries）；entry()方法返回包含鍵值對的不可修改的 Entry，不容許 null 做爲 key 或 value；copyOf()返回一個不可修改的，包含給定 Map 的 entries 的 Map ，調用了ofEntries()方法.
數據結構
HashMap 是如何存儲鍵值對的呢?安全
HashMap 有一個屬性 table:數據結構
transient Node<K,V>[] table;
table 是一個 Node 的數組, 在首次使用和須要 resize 時進行初始化; 這個數組的長度始終是2的冪, 初始化時是0, 所以可以使用位運算來代替模運算.app
HashMap的實現是裝箱的(binned, bucketed), 一個 bucket 是 table 數組中的一個元素, 而 bucket 中的元素稱爲 bin .ide
來看一下 Node , 很顯然是一個單向鏈表:this
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
...
}
固然, 咱們都知道 bucket 的結構是會在鏈表和紅黑樹之間相互轉換的:線程
// 轉換成紅黑樹
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
// 轉換成鏈表結構
if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index] = loHead.untreeify(map);
注意在 treeifyBin() 方法中:code
// table 爲 null 或者 capacity 小於 MIN_TREEIFY_CAPACITY 會執行 resize() 而不是轉換成樹結構
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
TreeNode 的結構和 TreeMap 類似, 而且實現了 tree 版本的一些方法:
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;
...
}
initialCapacity 和 loadFactor
先看一下 HashMap 的4個構造器，能夠發現3個重要的 int ：threshold，initialCapacity 和 loadFactor ，其中 threshold 和 loadFactor 是 HashMap 的私有屬性。
HashMap 的 javadoc 中有相關的解釋：
- capacity，HashMap 的哈希表中桶的數量；
- initial capacity ，哈希表建立時桶的數量；
- load factor ，在 capacity 自動增長(
resize())以前，哈希表容許的填滿程度； - threshold，下一次執行
resize()時 size 的值 (capacity * load factor), 若是表沒有初始化, 存放的是表的長度, 爲0時表的長度將會是DEFAULT_INITIAL_CAPACITY。
注意: 構造器中的 initialCapacity 參數並非 table 的實際長度, 而是指望達到的值, 實際值通常會大於等於給定的值. initialCapacity 會通過tableSizeFor() 方法, 獲得一個不大於 MAXIMUM_CAPACITY 的足夠大的2的冪, 來做爲table的實際長度:
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
loadFactor 的默認值是 0.75f ：
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
initialCapacity 的默認值是16：
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
capacity 的最大值是1073741824：
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
在 new 一個 HasMap 時,應該根據 mapping 數量儘可能給出 initialCapacity , 減小表容量自增的次數 . putMapEntries() 方法給出了一種計算 initialCapacity 的方法:
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
這段代碼裏的 t 就是 capacity .
hash() 方法
hash() 是 HashMap 用來計算 key 的 hash 值的方法, 這個方法並非直接返回 key 的 hashCode() 方法的返回值, 而是將 hashCode 的高位移到低位後 再與原值異或.
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
由於 HashMap 用 hash & (table.length-1)代替了 模運算 , 若是直接使用 hashCode() 的返回值的話, 只有hash code的低位(若是 table.length 是2的n次方, 只有最低的 n - 1 位)會參加運算, 高位即便發生變化也會產生碰撞. 而 hash() 方法把 hashCode 的高位與低位異或, 至關於高位也參加了運算, 可以減小碰撞.
舉個例子:
假設 table.length - 1 的 值爲 0000 0111, 有兩個hash code : 0001 0101 和 0000 0101. 這兩個hash code 分別與 table.length - 1 作與運算以後的結果是同樣的: 0000 0101; 將這兩個hash code 的高位和低位異或以後分別獲得: 0001 0100、 0000 0101, 此時再分別與 table.length - 1 作與運算的結果是 0000 0100 和 0000 0101, 再也不碰撞了.
resize()
resize() 方法負責初始化或擴容 table. 若是 table 爲 null 初始化 table 爲 一個長度爲 threshold 或 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY的表; 不然將 table 的長度加倍, 舊 table 中的元素要麼呆在原來的 index 要麼以2的冪爲偏移量在新 table中移動:
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) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
// 舊 table 的容量已經達到最大, 不擴容, 返回舊錶
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
// 將舊容量加倍做爲新表容量, 若是新表容量沒達到容量最大值, 而且舊容量大於等於默認容量, threshold 加倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
// 舊的threshold 不爲 0 , 舊 threshold 做爲新表的容量
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
// 舊 threshold 爲 0 , 用 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 做爲新容量, 用默認值計算新 threshold
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
// 以前沒有計算過新 threshold , 計算 threshold
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
// 建立新表數組, 更新表引用
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 將舊錶中的元素移動到新表
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
// 遍歷舊錶
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
// 幫助 GC
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
// 這個桶裏只有一個元素, 此處用位運算代替了模運算
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
// 若是這個 bucket 的結構是樹, 將這個 bucket 中的元素分爲高低兩部分((e.hash & bit) == 0 就分在低的部分, bit 是 oldCap), 低的部分留在原位, 高的部分放到 newTab[j + oldCap]; 若是某一部分的元素個數小於 UNTREEIFY_THRESHOLD 將這一部分轉換成鏈表形式, 不然就造成新的樹結構
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
// 將普通結構的 bucket 中的元素分爲高低兩部分, 低的部分留在原位, 高的部分放到 newTab[j + oldCap]
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;
}
舉個例子解釋一下高低兩部分的劃分:
- 擴容前 table.length 是 0000 1000 記爲 oldCap , table.length - 1 是 0000 0111 記爲 oldN;
- 擴容後 table.length 是 0001 0000 記爲 newCap, table.length - 1 爲 0000 1111 記爲 newN;
- 有兩個Node, hash (
hash()方法獲得的值)分別爲 0000 1101 和 0000 0101 記爲 n1 和 n2;
在擴容前, n1 和 n2 顯然是在一個 bucket 裏的, 但在擴容後 n1 & newN 和 n2 & newN 的值分別是 0000 1101 和 0000 0101, 這是須要劃分紅兩部分, 而且把屬於高部分的 bin 移動到新的 bucket 裏的緣由.
擴容後, hash 中只會有最低的4位參加 index 的計算, 所以能夠用第4位來判斷屬於高部分仍是低部分, 也就能夠用 (hash & oldCap) == 0 來做爲屬於低部分的依據了.
查找
查找方法只有 get() 和 getOrDefault() 兩個, 都是調用了 getNode()方法:
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
@Override
public V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? defaultValue : e.value;
}
getNode() 方法
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) {
// table 已經被初始化且 table 的長度不爲 0 且 對應的 bucket 裏有 bin
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 第一個節點的 key 和 給定的 key 相同
return first;
if ((e = first.next) != null) {
// bucket 中還有下一個 bin
if (first instanceof TreeNode)
// 是樹結構的 bucket, 調用樹版本的 getNode 方法
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
// 在普通的鏈表中查找 key
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
遍歷
能夠經過entrySet()、keySet()、values()分別得到 EntrySet、KeySet()和Values對象, 他們的迭代器都是HashIterator的子類.
fast-fail 和 modCount
HashMap 不是線程安全的, 而且實現了 fast-fail 機制. 當一個迭代器被建立的時候(或者迭代器自身的 remove() 方法被調用), 會記錄當前的 modCount 做爲期待中的 modCount, 並在操做中先檢查當前 modCount 是否是和舊的 modCount 相同, 不一樣則會拋出ConcurrentModificationException.
任何結構修改(新增或刪除節點)都會改變 modCount 的值.
新增和更新
1.8 以前有4個方法和構造器可以往 HashMap 中添加鍵值對: 以一個Map爲參數的構造器、put()、putAll()、putIfAbsent(),
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
putMapEntries(m, true);
}
@Override
public V putIfAbsent(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, true, true);
}
他們分別調用了putMapEntries()和putVal(). 這兩個方法中有一個參數 evict , 僅當初始化時(構造器中)爲 false.
putVal() 方法
來看一下putVal() 方法:
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)
// table 未被初始化或者長度爲 0 時, 執行 resize()
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
// 對應的 bucket 裏沒有元素, 新建一個普通 Node 放到這個位置
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))))
// 第一個節點的 key 和 給定的 key 相同
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
// 樹結構, 調用樹版本的 putVal, 若是樹結構中存在 key, 將會返回相應的 TreeNode, 不然返回 null
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
// 在鏈表中沒有找到 key, 新建一個節點放到鏈表末尾
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
// 當前桶轉換成樹結構
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// key 相同 break
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
// key 在 map 中存在
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
// 覆蓋舊值
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
// key 以前在 map 中不存在, 發生告終構變化, modCount 增長 1
++modCount;
if (++size > threshold)
// 擴容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
HashMap 提供了三個回調方法:
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }
putMapEntries() 方法
putMapEntries()方法就簡單多了
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
int s = m.size();
if (s > 0) {
if (table == null) { // pre-size
// table 尚未初始化, 計算出 threshold
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
else if (s > threshold)
// s 超過了 threshold, 擴容
resize();
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
// 調用 putVal() 方法, 將鍵值對放進 map
K key = e.getKey();
V value = e.getValue();
putVal(hash(key), key, value, false, evict);
}
}
}
刪除
刪除元素有三個方法, 還有 EntrySet 和 KeySet 的 remove 和 clear 方法:
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
@Override
public boolean remove(Object key, Object value) {
return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
}
public void clear() {
Node<K,V>[] tab;
modCount++;
if ((tab = table) != null && size > 0) {
size = 0;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
tab[i] = null;
}
}
removeNode() 方法
removeNode() 方法有5個參數, 說明一下其中兩個:
- matchValue 爲 true 時, 只在 value 符合的狀況下刪除;
- movable 爲 false 時, 刪除時不移動其餘節點, 只給樹版本的刪除使用.
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) {
// table 已經被初始化且 table 的長度不爲 0 且 對應的 bucket 裏有 bin
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
// 第一個的 key 和給定的 key 相同
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
// bucket 中有不止一個 bin
if (p instanceof TreeNode)
// 樹結構, 調用樹版本的 getNode
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
// 在普通的 bucket 中查找 node
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)))) {
// 找到了 node , 而且符合刪除條件
if (node instanceof TreeNode)
// 樹結構, 調用樹版本的 removeNode , 若是節點過少, 會轉換成鏈表結構
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
// node 是鏈表的第一個元素
tab[index] = node.next;
else
// 不是第一個元素
p.next = node.next;
// 結構變化 modCount + 1
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
總結
- HashMap 是一個基於哈希表的裝箱了的 Map 的實現; 它的數據結構是一個桶的數組, 桶的結構多是單向鏈表或者紅黑樹, 大部分是鏈表.
- table 的容量是2的冪, 所以能夠用更高效的位運算替代模運算.
- HashMap 使用的 hash 值, 並非 key 的
hashCode()方法所返回的值, 詳細仍是看上面吧. - 一個普通桶中的 bin 的數量超過
TREEIFY_THRESHOLD, 而且 table 的容量大於MIN_TREEIFY_CAPACITY, 這個桶會被轉換成樹結構; 若是 bin 數量大於TREEIFY_THRESHOLD, 但 table 容量小於MIN_TREEIFY_CAPACITY, 會進行擴容. - 每次擴容新 table 的容量是老 table 的 2 倍.
- 擴容時, 會將原來下標爲 index 的桶裏的 bin 分爲高低兩個部分, 高的部分放到
newTab[index + oldCap]上, 低的部分放在原位; 若是某部分的 bin 的個數小於UNTREEIFY_THRESHOLD樹結構將會轉換成鏈表結構. - ... ... (不想寫了, 之後再改吧)
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