HashMap的底層實(shí)現原理

這篇文章主要介紹“HashMap的底層實(shí)現原理”，在日常操作中，相信很多人在HashMap的底層實(shí)現原理問(wèn)題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對大家解答”HashMap的底層實(shí)現原理”的疑惑有所幫助！接下來(lái)，請跟著(zhù)小編一起來(lái)學(xué)習吧！

我們都知道HashMap是數組+鏈表組成的，bucket數組是HashMap的主體，而鏈表是為了解決哈希沖突而存在的，但是很多人不知道其實(shí)HashMap是包含樹(shù)結構的，但是得有一點(diǎn) 注意事項，什么時(shí)候會(huì )出現紅黑樹(shù)這種紅樹(shù)結構的呢？我們就得看源碼了，源碼解釋說(shuō)默認鏈表長(cháng)度大于8的時(shí)候會(huì )轉換為樹(shù)。我們看看源碼說(shuō)的

結構

/** * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.) */ /**    Node是hash基礎的節點(diǎn)，是單向鏈表，實(shí)現了Map.Entry接口 */static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {    final int hash;    final K key;    V value;    Node<K,V> next;    //構造函數    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {        this.hash = hash;        this.key = key;        this.value = value;        this.next = next;    }  public final K getKey()        { return key; }  public final V getValue()      { return value; }  public final String toString() { return key + "=" + value; }  public final int hashCode() {              return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);   }  public final V setValue(V newValue) {              V oldValue = value;              value = newValue;              return oldValue;  }  public final boolean equals(Object o) {      if (o == this)          return true;      if (o instanceof Map.Entry) {          Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;          if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&              Objects.equals(value, e.getValue()))              return true;      }      return false;  }}復制代碼

接下來(lái)就是樹(shù)結構了

TreeNode 是紅黑樹(shù)的數據結構。

     /**     * Entry for Tree bins. Extends LinkedHashMap.Entry (which in turn     * extends Node) so can be used as extension of either regular or     * linked node.     */    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;        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {            super(hash, key, val, next);        }     /**      * Returns root of tree containing this node.      */     final TreeNode<K,V> root() {         for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {             if ((p = r.parent) == null)                 return r;             r = p;         }     }復制代碼

我們在看一下類(lèi)的定義

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {復制代碼

繼承了抽象的map，實(shí)現了Map接口，并且進(jìn)行了序列化。

在類(lèi)里還有基礎的變量

變量

/** * The default initial capacity - MUST be a power of two. *  默認初始容量 16 - 必須是2的冪 */static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16/** * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified * by either of the constructors with arguments. * MUST be a power of two <= 1<<30. * 最大容量 2的30次方 */static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;/** * The load factor used when none specified in constructor. * 默認加載因子，用來(lái)計算threshold */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;/** * The bin count threshold for using a tree rather than list for a * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a * bin with at least this many nodes. The value must be greater * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in * tree removal about conversion back to plain bins upon * shrinkage. * 鏈表轉成樹(shù)的閾值，當桶中鏈表長(cháng)度大于8時(shí)轉成樹(shù)  * threshold = capacity * loadFactor */static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;/** * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal. * 進(jìn)行resize操作時(shí)，若桶中數量少于6則從樹(shù)轉成鏈表 */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. * 桶中結構轉化為紅黑樹(shù)對應的table的最小大小 * 當需要將解決 hash 沖突的鏈表轉變?yōu)榧t黑樹(shù)時(shí)， * 需要判斷下此時(shí)數組容量， * 若是由于數組容量太?。ㄐ∮凇IN_TREEIFY_CAPACITY?。?nbsp;* 導致的 hash 沖突太多，則不進(jìn)行鏈表轉變?yōu)榧t黑樹(shù)操作， * 轉為利用　resize() 函數對　hashMap 擴容 */static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;/** * The table, initialized on first use, and resized as * necessary. When allocated, length is always a power of two. * (We also tolerate length zero in some operations to allow * bootstrapping mechanics that are currently not needed.) * 保存Node<K,V>節點(diǎn)的數組 * 該表在首次使用時(shí)初始化，并根據需要調整大小。 分配時(shí)， * 長(cháng)度始終是2的冪。 */transient Node<K,V>[] table;/** * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used * for keySet() and values(). * 存放具體元素的集 */transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;/** * The number of key-value mappings contained in this map. * 記錄 hashMap 當前存儲的元素的數量 */transient int size;/** * The number of times this HashMap has been structurally modified * Structural modifications are those that change the number of mappings in * the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g., * rehash).  This field is used to make iterators on Collection-views of * the HashMap fail-fast.  (See ConcurrentModificationException). * 每次更改map結構的計數器 */transient int modCount;/** * The next size value at which to resize (capacity * load factor). * 臨界值 當實(shí)際大小(容量*填充因子)超過(guò)臨界值時(shí)，會(huì )進(jìn)行擴容 * @serial */// (The javadoc description is true upon serialization.// Additionally, if the table array has not been allocated, this// field holds the initial array capacity, or zero signifying// DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)int threshold;/** * The load factor for the hash table. * 負載因子：要調整大小的下一個(gè)大小值（容量*加載因子）。 * @serial */final float loadFactor;復制代碼

我們再看看構造方法

構造方法

/** * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial * capacity and the default load factor (0.75). * * @param  initialCapacity the initial capacity. * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative. * 傳入初始容量大小，使用默認負載因子值 來(lái)初始化HashMap對象 */public HashMap(int initialCapacity) {    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}/** * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity * (16) and the default load factor (0.75). * 默認容量和負載因子 */public HashMap() {    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}/** * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial * capacity and load factor. * * @param  initialCapacity the initial capacity * @param  loadFactor      the load factor * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative *         or the load factor is nonpositive * 傳入初始容量大小和負載因子 來(lái)初始化HashMap對象 */public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {     // 初始容量不能小于0，否則報錯    if (initialCapacity < 0)        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +                                           initialCapacity);    // 初始容量不能大于最大值，否則為最大值        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;    //負載因子不能小于或等于0，不能為非數字    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +                                           loadFactor);    // 初始化負載因子    this.loadFactor = loadFactor;    // 初始化threshold大小    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);}/** * Returns a power of two size for the given target capacity. * 找到大于或等于 cap 的最小2的整數次冪的數 */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;}復制代碼

在這源碼中，loadFactor負載因子是一個(gè)非常重要的參數，因為他能夠反映HashMap桶數組的使用情況， 這樣的話(huà)，HashMap的時(shí)間復雜度就會(huì )出現不同的改變。

當這個(gè)負載因子屬于低負載因子的時(shí)候，HashMap所能夠容納的鍵值對數量就是偏少的，擴容后，重新將鍵值對 存儲在桶數組中，鍵與鍵之間產(chǎn)生的碰撞會(huì )下降，鏈表的長(cháng)度也會(huì )隨之變短。

但是如果增加負載因子當這個(gè)負載因子大于1的時(shí)候，HashMap所能夠容納的鍵值對就會(huì )變多，這樣碰撞就會(huì )增加， 這樣的話(huà)鏈表的長(cháng)度也會(huì )增加，一般情況下負載因子我們都不會(huì )去修改。都是默認的0.75。加q群：479499375，可獲取一份Java進(jìn)階學(xué)習資料包，有（Java工程化、分布式架構、高并發(fā)、高性能、深入淺出、微服務(wù)架構、Spring、MyBatis、Netty、源碼分析、JVM原理解析等...這些成為架構師必備的內容）以及Java進(jìn)階學(xué)習路線(xiàn)圖。

擴容機制

resize()這個(gè)方法就是重新計算容量的一個(gè)方法，我們看看源碼：

/** * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in * accord with initial capacity target held in field threshold. * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the * elements from each bin must either stay at same index, or move * with a power of two offset in the new table. * * @return the table */final Node<K,V>[] resize() {    //引用擴容前的Entry數組    Node<K,V>[] oldTab = table;    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;    int oldThr = threshold;    int newCap, newThr = 0;    if (oldCap > 0) {        // 擴容前的數組大小如果已經(jīng)達到最大(2^30)了        //在這里去判斷是否達到最大的大小         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {               //修改閾值為int的最大值(2^31-1)，這樣以后就不會(huì )擴容了            threshold = Integer.MAX_VALUE;            return oldTab;        }        // 如果擴容后小于最大值 而且 舊數組桶大于初始容量16， 閾值左移1(擴大2倍)        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)            newThr = oldThr << 1; // double threshold    }    // 如果數組桶容量<=0 且 舊閾值 >0    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold        //新的容量就等于舊的閥值        newCap = oldThr;    else {               // zero initial threshold signifies using defaults         // 如果數組桶容量<=0 且 舊閾值 <=0         // 新容量=默認容量         // 新閾值= 負載因子*默認容量        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);    }    // 如果新閾值為0    if (newThr == 0) {        // 重新計算閾值        float ft = (float)newCap * loadFactor;        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);    }    //在這里就會(huì ) 更新閾值    threshold = newThr;    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})     //創(chuàng  )建新的數組     Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];    // 覆蓋數組桶    table = newTab;     // 如果舊數組桶不是空，則遍歷桶數組，并將鍵值對映射到新的桶數組中    //在這里還有一點(diǎn)詭異的，1.7是不存在后邊紅黑樹(shù)的，但是1.8就是有紅黑樹(shù)    if (oldTab != null) {        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {            Node<K,V> e;            if ((e = oldTab[j]) != null) {                oldTab[j] = null;                if (e.next == null)                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;                // 如果是紅黑樹(shù)                else if (e instanceof TreeNode)                    // 重新映射時(shí)，然后對紅黑樹(shù)進(jìn)行拆分                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);                else { // preserve order                    // 如果不是紅黑樹(shù)，那也就是說(shuō)他鏈表長(cháng)度沒(méi)有超過(guò)8，那么還是鏈表，                    //那么還是會(huì )按照鏈表處理                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;                    Node<K,V> next;                    // 遍歷鏈表，并將鏈表節點(diǎn)按原順序進(jìn)行分組                    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);                    // 將分組后的鏈表映射到新桶中                    if (loTail != null) {                        loTail.next = null;                        newTab[j] = loHead;                    }                    if (hiTail != null) {                        hiTail.next = null;                        newTab[j + oldCap] = hiHead;                    }                }            }        }    }    return newTab;}復制代碼

所以說(shuō)在經(jīng)過(guò)resize這個(gè)方法之后，元素的位置要么就是在原來(lái)的位置，要么就是在原來(lái)的位置移動(dòng)2次冪的位置上。 源碼上的注釋也是可以翻譯出來(lái)的

/**     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in     * accord with initial capacity target held in field threshold.     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the     * elements from each bin must either stay at same index, or move     * with a power of two offset in the new table.     *     * @return the table     如果為null，則分配符合字段閾值中保存的初始容量目標。      否則，因為我們使用的是2次冪擴展，     所以每個(gè)bin中的元素必須保持相同的索引，或者在新表中以2的偏移量移動(dòng)。     */    final Node<K,V>[] resize() .....復制代碼

所以說(shuō)他的擴容其實(shí)很有意思，就有了三種不同的擴容方式了，

在HashMap剛初始化的時(shí)候，使用默認的構造初始化，會(huì )返回一個(gè)空的table，并且 thershold為0，因此第一次擴容的時(shí)候默認值就會(huì )是16. 同時(shí)再去計算thershold = DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16*0.75 = 12.

如果說(shuō)指定初始容量的初始HashMap的時(shí)候，那么這時(shí)候計算這個(gè)threshold的時(shí)候就變成了 threshold = DEFAULT_LOAD_FACTOR * threshold(當前的容量)