Java容器 | 基於源碼分析Map集合體系

1、容器之Map集合

集合體系的源碼中，Map中的HashMap的設計堪稱最經典，涉及數據結構、編程思想、哈希計算等等，在平常開發中對於一些源碼的思想進行參考借鑑仍是頗有必要的。

• 基礎：元素增查刪、容器信息；
• 進階：存儲結構、容量、哈希；

API體系

在整個Map和Set的API體系中，最重要的就是HashMap的實現原理：

• HashMap：基於哈希表管理元素；
• LinkedHashMap：基於HashMap和雙向鏈表；
• HashSet：底層維護HashMap結構；
• LinkedHashSet：繼承HashSet，雙向鏈表；

因此Map和Set的系列中，除特殊API以外，基本原理都依賴HashMap，只是在各自具體實現時，適用於不一樣特色的元素管理。

2、數據結構

在看HashMap以前，先理解一種數據結構：數組+鏈表的結構。

基於數組管理元素的位置，元素的存儲造成鏈表結構，既然是鏈表那麼就能夠是單雙向的結構，這須要針對具體的API去分析，經過這個結構能夠獲得幾個關鍵信息：

• 擴容：基於數組則面對擴容問題；
• 鏈表：造成鏈表結構的機制；
• 哈希：哈希值計算與衝突處理；

3、HashMap詳解

一、結構封裝

既然上面簡單描述了數組+鏈表的結構，那麼從源碼角度看看是如何封裝的：

transient Node<K,V>[] table;

在HashMap中數組結構的變量命名爲table（表），而且是基於Node<K,V>的節點：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;
}

實現Map.Entry接口，並定義節點的結構變量，和節點自身的相關方法。

二、構造方法

在知道HashMap中的基礎結構後，能夠看其相關的構造方法，初始化哪些變量：

無參構造

public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}

• float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
• this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

實際上還要關注一個核心參數：

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 16

即數組默認的初始化容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY爲16，擴容的閾值loadFactor爲0.75，即表示當數組中元素達到12個便會進行擴容操做。

有參構造

固然也能夠經過有參構造方法去設置兩個參數：即容量和擴容的閾值：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) ;

經過兩個構造方法的源碼可知：當直接建立新的HashMap的時候，不會當即對哈希數組進行初始化，可是能夠對關鍵變量作自定義設置。

三、裝載元素

順着HashMap的使用方法，看元素添加：

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

在put的時候並無作過多直接操做，而是調用兩個關鍵方法：

• hash()：計算key的hash值；
• putVal()：元素添加過程；

這裏必須看一個關鍵方法，哈希值的計算：

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

並非直接獲取Object中hashCode的返回值，計算key對應的hashCode值，和hashCode值右移16位的值，並對兩個結果進行異或運算，以此拉低哈希衝突發生的機率。

再看putVal()方法，這裏的操做就至關精彩：

核心步驟總結：

• 首次執行判斷並初始化底層數組；
• 基於哈希值計算結果添加元素；
• 根據添加元素後的容量來判斷是否擴容；

這裏還須要說明一個問題：

HashMap基於紅黑樹來處理哈希衝突問題，若是hash衝突過多，對O(n)的查詢性能的影響很是大，當衝突節點鏈表的衝突元素數量到達8時，而且數組的長度到達64時，會使用紅黑樹結構代替鏈表來處理哈希衝突的查詢性能問題，關於樹結構能夠移步以前的相關文章。

四、自動化擴容

容器在必定邊界內能夠不斷添加元素，其核心的機制就是擴容，HashMap的擴容遵循最小可用原則，固然容量到達閾值，便會觸發自動擴容機制。

閾值：threshold=capacity*loadFactor，默認即 16*0.75=12。

核心方法：resize；

核心步驟總結：

• 判斷擴容的邊界參數：threshold；
• 核心參數計算：容量和閾值；
• 基於新參數建立一個新的空數組；
• 原數組爲null則過程能夠理解爲初始化；
• 原數組不爲null則擴容並遷移數據；

很顯然若是涉及數組擴容則會很影響效率，因此在平常開發中，能夠在使用HashMap的時候預先估計好HashMap的大小，保證閾值大於存儲的元素數量，儘量避免進行屢次擴容操做。

五、查詢元素

getNode查找方法，經過hash值的計算，而後依次通過數組、紅黑樹、鏈表進行遍歷查詢：

六、刪除元素

removeNode刪除方法，首先經過hash值的計算，找到要刪除的節點，而後判斷索引位置是紅黑樹仍是鏈表結構，分別執行各自的刪除流程：

七、補充說明

這裏對兩個方法作個簡單的說明：hashCode()與equals()，一般來講重寫equals方法的時候須要重寫hashCode方法。

這兩個方法均可以用來比較兩個對象是否相等，可是hash值有存在衝突的狀況，可能存在兩個對象的hash值衝突，這時候能夠經過equals判斷對象值是否相同，==判斷值對象，地址判斷引用對象。

在HashMap的結構中，鏈表上的hash值相同狀況還要經過equals方法來判斷具體值是否相同，才能找到相應的對象。

4、源代碼地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

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