java集合类HashMap源码解析

Map集合

Map集合存储的是键值对

Map集合的实现类：

HashTable、LinkedHashMap、HashMap、TreeMap

HashMap

基础了解：

1、键不可以重复，值可以重复；

2、底层使用哈希表实现；

3、线程不安全；

4、允许key为null，但只允许有一条记录为null，value也可以为null，允许多条记录为null；

源码分析

（一）以JDK1.7为例

1、存储结构

数据结构：数组+链表

首先hashmap内部有一个Entry类型的数组table；

通过Entry<K,V> 知道table数组每一个节点，存储的元素是键值对；

再通过字段next知道，每一个节点当出现哈希冲突的时候，会通过链表的形式将哈希值相同的节点放在同一个桶内；

四个字段：K，V，next，hash；

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
   final K key;
   V value;
   Entry<K,V> next;
   int hash;
   Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
       value = v;
       next = n;
       key = k;
       hash = h;
   }
   public final K getKey() {
       return key;
   }
   public final V getValue() {
       return value;
   }
   public final V setValue(V newValue) {
       V oldValue = value;
       value = newValue;
       return oldValue;
   }
   public final boolean equals(Object o) {
       if (!(o instanceof Map.Entry))
           return false;
       Map.Entry e = (Map.Entry)o;
       Object k1 = getKey();
       Object k2 = e.getKey();
       if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
           Object v1 = getValue();
           Object v2 = e.getValue();
           if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
               return true;
       }
       return false;
   }
   public final int hashCode() {
       return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
   }
   public final String toString() {
       return getKey() + "=" + getValue();
   }
}

2、拉链法的工作原理

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("K1", "V1");
map.put("K2", "V2");
map.put("K3", "V3");

新建一个 HashMap，默认大小为 16；

插入 <K1,V1> 键值对，先计算 K1 的 hashCode 为 115，使用除留余数法得到所在的桶下标 115％16=3。

插入 <K2,V2> 键值对，先计算 K2 的 hashCode 为 118，使用除留余数法得到所在的桶下标 118％16=6。

插入 <K3,V3> 键值对，先计算 K3 的 hashCode 为 118，使用除留余数法得到所在的桶下标 118％16=6，插在 <K2,V2> 前面。

应该注意到链表的插入是以头插法方式进行的，例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 后面，而是插入在链表头部。

查找需要分成两步进行：

计算键值对所在的桶；

在链表上顺序查找，时间复杂度显然和链表的长度成正比

3、put()方法

put方法调用

1.调用hash函数得到key的HashCode值

2.通过HashCode值与数组长度-1逻辑与运算得到一个index值

3.遍历索引位置对应的链表，如果Entry对象的hash值与hash函数得到的hash值相等，并且该Entry对象的key值与put方法传过来的key值相等则，将该Entry对象的value值赋给一个变量，将该Entry对象的value值重新设置为put方法传过来的value值。将旧的value返回。

4.添加Entry对象到相应的索引位置

public V put(K key, V value) {
   if (table == EMPTY_TABLE) {
       inflateTable(threshold);
   }
   // 键为 null 单独处理
   if (key == null)
       return putForNullKey(value);
   int hash = hash(key);
   // 确定桶下标
   int i = indexFor(hash, table.length);
   // 先找出是否已经存在键为 key 的键值对，如果存在的话就更新这个键值对的值为 value
   for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
       Object k;
       if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
           V oldValue = e.value;
           e.value = value;
           e.recordAccess(this);
           return oldValue;
       }
   }
   modCount++;
   // 插入新键值对
   addEntry(hash, key, value, i);
   return null;
}

HashMap 允许插入键为 null 的键值对。但是因为无法调用 null 的 hashCode() 方法，也就无法确定该键值对的桶下标，只能通过强制指定一个桶下标来存放。HashMap 使用第 0 个桶存放键为 null 的键值对

private V putForNullKey(V value) {
   for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
       if (e.key == null) {
           V oldValue = e.value;
           e.value = value;
           e.recordAccess(this);
           return oldValue;
       }
   }
   modCount++;
   addEntry(0, null, value, 0);
   return null;
}

使用链表的头插法，也就是新的键值对插在链表的头部，而不是链表的尾部。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
   if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
       resize(2 * table.length);
       hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
       bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
   }
   createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
   Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
   // 头插法，链表头部指向新的键值对
   table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
   size++;
}
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
   value = v;
   next = n;
   key = k;
   hash = h;
}

4、确定桶下标

很多操作都需要先确定一个键值对所在的桶下标。如上所示代码

int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);

4.1、确定hash值

final int hash(Object k) {
   int h = hashSeed;
   if (0 != h && k instanceof String) {
       return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
   }
   h ^= k.hashCode();
   // This function ensures that hashCodes that differ only by
   // constant multiples at each bit position have a bounded
   // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
   h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
   return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
public final int hashCode() {
   return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}

4.2、取模确定桶下标

令 x = 1<<4，即 x 为 2 的 4 次方，它具有以下性质：

x   : 00010000
x-1 : 00001111

令一个数 y 与 x-1 做与运算，可以去除 y 位级表示的第 4 位以上数：

y       : 10110010
x-1     : 00001111
y&(x-1) : 00000010

这个性质和 y 对 x 取模效果是一样的：

y   : 10110010
x   : 00010000
y％x : 00000010

我们知道，位运算的代价比求模运算小的多，因此在进行这种计算时用位运算的话能带来更高的性能。

确定桶下标的最后一步是将 key 的 hash 值对桶个数取模：hash％capacity，如果能保证 capacity 为 2 的 n 次方，那么就可以将这个操作转换为位运算。

static int indexFor(int h, int length) {
   return h & (length-1);
}

面试题目：hashmap的初始容量值为什么设置为16？

原因1、根据确定桶下标的原理， h & (length-1)，长度length为2的整数次幂可以保证散列的均匀，提升效率；

原因2、因为length为偶数，length-1必为奇数，所以h值的奇偶数决定了散列表数组落入奇数或者偶数数组内；这样保证了散列的均匀性。而如果length为奇数，那么length-1位偶数，最后一位为0，根据 逻辑 & 的原则码，最后一位肯定都是偶数0，而不可能出现奇数1，所以散列表只能使用一半的数组，造成很大的浪费；

5、扩容原理

HashMap的初始容量是2的n次幂，扩容也是2倍的形式进行扩容，是因为容量是2的n次幂，可以使得添加的元素均匀分布在HashMap中的数组上，减少hash碰撞，避免形成链表的结构，使得查询效率降低！

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
transient Entry[] table;
transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;
transient int modCount;

从下面的添加元素代码中可以看出，当需要扩容时，令 capacity 为原来的两倍

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
   Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
   table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
   if (size++ >= threshold)
       resize(2 * table.length);
}

扩容使用 resize() 实现，需要注意的是，扩容操作同样需要把 oldTable 的所有键值对重新插入 newTable 中，因此这一步是很费时的。

多线程下扩容会出现HashMap的循环链表情况

void resize(int newCapacity) {
   Entry[] oldTable = table;
   int oldCapacity = oldTable.length;
   if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
       threshold = Integer.MAX_VALUE;
       return;
   }
   Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
   transfer(newTable);
   table = newTable;
   threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
   Entry[] src = table;
   int newCapacity = newTable.length;
   for (int j = 0; j < src.length; j++) {
       Entry<K,V> e = src[j];
       if (e != null) {
           src[j] = null;
           do {
               Entry<K,V> next = e.next;
               int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
               e.next = newTable[i];
               newTable[i] = e;
               e = next;
           } while (e != null);
       }
   }
}

6、扩容-重新计算桶下标

在进行扩容时，需要把键值对重新放到对应的桶上。HashMap 使用了一个特殊的机制，可以降低重新计算桶下标的操作。

假设原数组长度 capacity 为 16，扩容之后 new capacity 为 32：

capacity     : 00010000
new capacity : 00100000
对于一个 Key，

它的哈希值如果在第 5 位上为 0，那么取模得到的结果和之前一样；如果为 1，那么得到的结果为原来的结果 +16。

7、计算数组容量

HashMap 构造函数允许用户传入的容量不是 2 的 n 次方，因为它可以自动地将传入的容量转换为 2 的 n 次方。

先考虑如何求一个数的掩码，对于 10010000，它的掩码为 11111111，可以使用以下方法得到：

mask |= mask >> 1    11011000
mask |= mask >> 2    11111110
mask |= mask >> 4    11111111

mask+1 是大于原始数字的最小的 2 的 n 次方。

num     10010000
mask+1 100000000

以下是 HashMap 中计算数组容量的代码：

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;
}

8、JDK1.8开始，链表转换为红黑树

从 JDK 1.8 开始，一个桶存储的链表长度大于 8 时会将链表转换为红黑树。

数据结构：数组+链表+红黑树

get()

get方法调用

1.当调用get方法时会调用hash函数，这个hash函数会将key的hashCode值返回，返回的hashCode与Entry数组长度-1进行逻辑与运算得到一个index值，用这个index值来确定数据存储在Entry数组当中的位置

2.通过循环来遍历索引位置对应的链表，初始值为数据存储在Entry数组当中的位置，循环条件为Entry对象不为null，改变循环条件为Entry对象的下一个节点

3.如果hash函数得到的hash值与Entry对象当中key的hash值相等，并且Entry对象当中的key值与get方法传进来的key值equals相同则返回该Entry对象的value值，否则返回null

我们能否让HashMap同步？

在多线程条件下，容易导致死循环，具体表现为CPU使用率100％。因此多线程环境下保证 HashMap 的线程安全性，主要有如下几种方法：

1、使用 java.util.Hashtable 类，此类是线程安全的。

2、使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，此类是线程安全的。

3、使用 java.util.Collections.synchronizedMap() 方法包装 HashMap object，得到线程安全的Map，并在此Map上进行操作。

通过Collections.synchronizedMap()来封装所有不安全的HashMap的方法,就连toString, hashCode都进行了封装. 封装的关键点有2处

(1)使用了经典的synchronized来进行互斥,

(2)使用了代理模式new了一个新的类,这个类同样实现了Map接口

来源：https://blog.csdn.net/qq_42253147/article/details/90408973