【JAVA集合知識集錦】HashMap要點總結

時間 2019-12-21

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HashMap做爲java開發中最經常使用的集合之一，瞭解其特性對平常開發尤其重要，本文基於jdk1.8源碼來分析HashMap有哪些重要的特性。java

1 數據結構

瞭解HashMap首先固然要從瞭解數據結構提及，具體見下圖：

數據結構源碼以下：算法

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

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
        ......
     }

從上圖能夠看出HashMap內部是由Node節點的鏈表數組構成，該數據結構又稱爲哈希桶。數組

2 鏈地址法解決哈希衝突

既然HashMap內部是一個哈希桶，那麼進行put操做時就有可能會發生哈希衝突，哈希衝突是將元素放入數組時，若數組中存在同樣的元素即表示發生了哈希衝突，而HashMap解決哈希衝突的方法爲鏈地址法，這種解決衝突的方法具體操做是採用鏈表的方式，詳細具體操做以下：數據結構

首先計算傳入key的hash值
根據hash值找出對應數組中的下標
若數組下標中存在元素，則判斷key是否相等，相等則覆蓋value值，不相等則進入next節點
循環步驟3，若找不到相等的key，則用傳入的key，value值建立一個新的Node節點，將新的Node節點加入鏈表尾部

源碼以下：性能

public V put(K key, V value) {
        //hash方法計算hash值
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //hashmap採用默認構造器未指定大小時，則進行擴容，這也表示默認構造hashmap時其容量爲懶加載
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            //resize()爲擴容主要方法
            n = (tab = resize()).length;
            //i = (n - 1) & hash 即爲計算哈希桶位置的算法
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //算出位置後，若該處沒有節點（產生哈希衝突）則直接插入
            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))))
                e = p;
                //下面的else則表示產生哈希衝突的處理方法
            else if (p instanceof TreeNode)
                //若爲樹結構，則進行樹化處理
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //主要邏輯在這裏
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //找不到相等的key，則構造一個新Node插入鏈表尾部
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //判斷是否達到紅黑樹構造條件
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //找到了相等的key則break
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //相等的key替換value值邏輯
            if (e != null) { 
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    //新value值替換老value值
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //判斷容量是否大於閾值，大於則擴容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

注意，這裏計算哈希桶位置的代碼爲：i = (n - 1) & hash，該算法表示在n爲2的倍數狀況下，經過位運算的方式計算數組下標，等同於數學中的取餘，這同時也表示了hashmap的大小永遠爲2的倍數。this

3 hash值計算方法

HashMap中計算hash值方法源碼以下：spa

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

從上面代碼可看出，首先調了傳入key的hashCode方法計算出hashCode，最後將該hashCode與它的高16位作與運算，這樣作的緣由在於由於數組大小值通常都是低位，採用(n - 1) & hash算法計算數組位置時，hash值只有低位有用，因此要將hash值的高位與低位相與，這樣增長了隨機性，發生哈希衝突的機率變得更小了。code

4 擴容

HashMap擴容主要是由下列三個屬性相互影響決定的：blog

第一個是HashMap的總容量capacity(默認值16）
第二個是負載因子loadFactor（默認值0.75）
第三個是閾值threshold（默認值12），該值由capacity * loadFactor決定

當進行put操做時，若hashmap內節點數大於閾值則進行擴容，擴容形式爲兩倍擴容，與jdk1.7擴容明顯不一樣的是，jdk1.8的擴容再也不是遍歷老的節點，從新計算老的節點在新的容量中的位置，僅僅只是將當前位置加上擴容前的容量當作新的位置，這樣就避免了jdk1.7擴容時的環形鏈表問題。ci

具體源碼以下：

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) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            //newCap即爲擴容後的大小
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // 閾值也增長兩倍
        }
        else if (oldThr > 0) // 用構造器初始化hashmap時，若只指定了閾值則容量值等於設置的閾值
            newCap = oldThr;
        else {               // 若是閾值也沒有設置，則容量和閾值都設爲默認
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        //下面則是擴容主要邏輯
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        //生成一個新的哈希桶
        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) {
                    oldTab[j] = null;
                    //若是老哈希桶下標處只有一個元素則直接計算新哈希桶中位置放置
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                    //若節點是樹則進行樹化處理
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // 下面就是通常的擴容邏輯了
                        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;
                            //老哈希桶的位置+老哈希桶容量=在新哈希桶的位置
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

5 節點數大於等於7時構造紅黑樹

當hashmap進行put操做時，若發生哈希衝突且對應鏈表中無相等的節點，則將新的節點加入鏈表尾部，此時若該連接長度過長，hashmap會將該鏈表進行樹化處理，具體處理爲假如該鏈表長度大於等於7時，會轉變成紅黑樹，紅黑樹是一個典型的二叉查找樹，在搜索節點時具備比鏈表更優的性能，時間複雜度通常爲O(logn)，hashmap轉變爲樹的過程是jdk1.7中沒有的。
具體源碼以下：

if ((e = p.next) == null) {
       //找不到相等的key，則構造一個新Node插入鏈表尾部
       p.next = newNode(hash, key, value, null);
       //判斷是否達到紅黑樹構造條件，TREEIFY_THRESHOLD是一個final值爲8
       if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 
           //對該鏈表進行樹化處理
           treeifyBin(tab, hash);
           break;
      }

6 容量值永遠爲2的倍數

從上面的分析可知，計算哈希桶位置算法(n - 1) & hash需保證n必定爲2的倍數，hashmap是如何保證容量爲2的倍數的呢？咱們知道hashmap初始化時能夠指定容量，咱們能夠先從該構造方法看起：

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;
        //tableSizeFor方法保證了傳入的值必定是2的倍數
        //hashmap容量爲懶加載，只有在put操做時纔會對本身擴容，假如容量爲0，擴容後的容量會設置成閾值，因此這裏的閾值也能夠當作hashmap的容量
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }

從以上源碼能夠看出，hashmap是經過tableSizeFor方法保證本身的容量爲2的倍數，tableSizeFor方法源碼以下：

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;
    }

該算法詳解以下：

先來看有關n位操做部分，先來假設n的二進制爲01xxxxxx，而後