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Java8之HashMap源码分析
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一、前言

  在分析jdk1.8后的HashMap源码时,发现网上好多分析都是基于之前的jdk,而Java8的HashMap对之前做了较大的优化,其中最重要的一个优化就是桶中的元素不再唯一按照链表组合,也可以使用红黑树进行存储,总之,目标只有一个,那就是在安全和功能性完备的情况下让其速度更快,提升性能。好~下面就开始分析源码。

二、HashMap数据结构

  

 

  说明:上图很形象的展示了HashMap的数据结构(数组+链表+红黑树),桶中的结构可能是链表,也可能是红黑树,红黑树的引入是为了提高效率。所以可见,在分析源码的时候我们不知不觉就温习了数据结构的知识点,一举两得。

三、HashMap源码分析

 

3.1 类的继承关系 

 

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

 

  可以看到HashMap继承自父类(AbstractMap),实现了Map、Cloneable、Serializable接口。其中,Map接口定义了一组通用的操作;Cloneable接口则表示可以进行拷贝,在HashMap中,实现的是浅层次拷贝,即对拷贝对象的改变会影响被拷贝的对象;Serializable接口表示HashMap实现了序列化,即可以将HashMap对象保存至本地,之后可以恢复状态。

 

3.2 类的属性 

 

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
    // 序列号
    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
    // 默认的初始容量是16
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
    // 最大容量
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
    // 默认的填充因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    // 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
    // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    // 树的最小的容量,至少是 4 x TREEIFY_THRESHOLD = 32 然后为了避免(resizing 和 treeification thresholds) 设置成64
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    // 存储元素的数组,总是2的幂次倍
    transient Node<k,v>[] table; 
    // 存放具体元素的集
    transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
    // 存放元素的个数,注意这个不等于数组的长度。
    transient int size;
    // 每次扩容和更改map结构的计数器
    transient int modCount;   
    // 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时,会进行扩容
    int threshold;
    // 填充因子
    final float loadFactor;
}

 

说明:类的数据成员很重要,以上也解释得很详细了,其中有一个参数MIN_TREEIFY_CAPACITY,笔者暂时还不是太清楚,有读者知道的话欢迎指导。

 

3.3 类的构造函数

1. HashMap(int, float)型构造函数

 

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    // 初始容量不能小于0,否则报错
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                            initialCapacity);
    // 初始容量不能大于最大值,否则为最大值
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    // 填充因子不能小于或等于0,不能为非数字
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                            loadFactor);
    // 初始化填充因子                                        
    this.loadFactor = loadFactor;
    // 初始化threshold大小
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);    
}

 

说明:tableSizeFor(initialCapacity)返回大于initialCapacity的最小的二次幂数值。

 

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;
    }

 

说明:>>> 操作符表示无符号右移,高位取0。

2. HashMap(int)型构造函数。

 

public HashMap(int initialCapacity) {
    // 调用HashMap(int, float)型构造函数
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

 

3. HashMap()型构造函数。

 

public HashMap() {
    // 初始化填充因子
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
}

 

4. HashMap(Map<? extends K>)型构造函数。

 

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    // 初始化填充因子
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    // 将m中的所有元素添加至HashMap中
    putMapEntries(m, false);
}

 

 说明:putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict)函数将m的所有元素存入本HashMap实例中。

 

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        // 判断table是否已经初始化
        if (table == null) { // pre-size
            // 未初始化,s为m的实际元素个数
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                    (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            // 计算得到的t大于阈值,则初始化阈值
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 已初始化,并且m元素个数大于阈值,进行扩容处理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 将m中的所有元素添加至HashMap中
        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);
        }
    }
}

2.4 重要函数分析

1. putVal函数  

 

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // table未初始化或者长度为0,进行扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中,桶为空,新生成结点放入桶中(此时,这个结点是放在数组中)
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 桶中已经存在元素
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等,key相等
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 将第一个元素赋值给e,用e来记录
                e = p;
        // hash值不相等,即key不相等;为红黑树结点
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入树中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 为链表结点
        else {
            // 在链表最末插入结点
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 到达链表的尾部
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 在尾部插入新结点
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 结点数量达到阈值,转化为红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 跳出循环
                    break;
                }
                // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 相等,跳出循环
                    break;
                // 用于遍历桶中的链表,与前面的e = p.next组合,可以遍历链表
                p = e;
            }
        }
        // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
        if (e != null) { 
            // 记录e的value
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                /用新值替换旧值
                e.value = value;
                // 访问后回调
                afterNodeAccess(e);
                // 返回旧值
                return oldValue;
        }
    }
    // 结构性修改
    ++modCount;
    // 实际大小大于阈值则扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入后回调
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

 

说明:HashMap并没有直接提供putVal接口给用户调用,而是提供的put函数,而put函数就是通过putVal来插入元素的。

 

2. getNode函数

 

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    // table已经初始化,长度大于0,根据hash寻找table中的项也不为空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 桶中第一项(数组元素)相等
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 桶中不止一个结点
        if ((e = first.next) != null) {
            // 为红黑树结点
            if (first instanceof TreeNode)
                // 在红黑树中查找
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            // 否则,在链表中查找
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

 

说明:HashMap并没有直接提供getNode接口给用户调用,而是提供的get函数,而get函数就是通过getNode来取得元素的。

 

3. resize函数  

 

final Node<K,V>[] resize() {
    // 当前table保存
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 保存table大小
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    // 保存当前阈值 
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    // 之前table大小大于0
    if (oldCap > 0) {
        // 之前table大于最大容量
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            // 阈值为最大整形
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 容量翻倍,使用左移,效率更高
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
            oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            // 阈值翻倍
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    // 之前阈值大于0
    else if (oldThr > 0)
        newCap = oldThr;
    // oldCap = 0并且oldThr = 0,使用缺省值(如使用HashMap()构造函数,之后再插入一个元素会调用resize函数,会进入这一步)
    else {           
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 新阈值为0
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    // 初始化table
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    // 之前的table已经初始化过
    if (oldTab != null) {
        // 复制元素,重新进行hash
        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;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    // 将同一桶中的元素根据(e.hash & oldCap)是否为0进行分割,分成两个不同的链表,完成rehash
                    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;
}

说明:进行扩容,会伴随着一次重新hash分配,并且会遍历hash表中所有的元素,是非常耗时的。在编写程序中,要尽量避免resize。

  在resize前和resize后的元素布局如下

  说明:上图只是针对了数组下标为2的桶中的各个元素在扩容后的分配布局,其他各个桶中的元素布局可以以此类推。

 

四、针对HashMap的思考

 

4.1. 关于扩容的思考

  从putVal源代码中我们可以知道,当插入一个元素的时候size就加1,若size大于threshold的时候,就会进行扩容。假设我们的capacity大小为32,loadFator为0.75,则threshold为24 = 32 * 0.75,此时,插入了25个元素,并且插入的这25个元素都在同一个桶中,桶中的数据结构为红黑树,则还有31个桶是空的,也会进行扩容处理,其实,此时,还有31个桶是空的,好像似乎不需要进行扩容处理,但是是需要扩容处理的,因为此时我们的capacity大小可能不适当。我们前面知道,扩容处理会遍历所有的元素,时间复杂度很高;前面我们还知道,经过一次扩容处理后,元素会更加均匀的分布在各个桶中,会提升访问效率。所以,说尽量避免进行扩容处理,也就意味着,遍历元素所带来的坏处大于元素在桶中均匀分布所带来的好处。如果有读者有不同意见,也欢迎讨论~

五、总结

  至此,HashMap的源码就分析到这里了,其中理解了其中的核心函数和数据结构,那么理解HashMap的源码就不困难了。当然,此次分析中还有一些知识点没有涉及到,如红黑树、序列化、拷贝等,以后有机会会进行详细的说明和讲解

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小炎哥
发帖于6个月前 1回/409阅
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