集合框架知识系列05 HashMap的源码分析和使用示例
1、HashMap简介
HashMap是基于“拉链法”实现的散列表。通常用于单线程程序中，JDK 1.8对HashMap进行了比较大的优化，底层实现由以前的“数组+链表”改成“数组+链表+红黑树”。下面先介绍HashMap中一些关键的知识点。node
一、哈希表
哈希表是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它经过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫作散列函数，存放记录的数组叫作散列表。下面是百度百科中的一张哈希表示例：
经常使用的散列方法有： 直接寻址法：取关键字或关键字的某个线性函数值为散列地址、数字分析法：分析一组数据，好比一组员工的出生年月日，这时咱们发现出生年月日的前几位数字大致相同、平方取中法：当没法肯定关键字中哪几位分布较均匀时，能够先求出关键字的平方值，而后按须要取平方值的中间几位做为哈希地址。数组
二、红黑树
红黑树是一颗自平衡的二叉查找树，除了符合二叉查找树的特定，还有一下一些特色：缓存
- 节点是红色或黑色。
- 根节点是黑色。
- 每一个叶子节点都是黑色的空节点（NIL节点）。
- 每一个红色节点的两个子节点都是黑色。(从每一个叶子到根的全部路径上不能有两个连续的红色节点)
- 从任一节点到其每一个叶子的全部路径都包含相同数目的黑色节点。
下面是一棵红黑树的示例图：数据结构
三、HashMap中的节点结构
HashMap中经过实现Map.Entry<K,V>接口做为哈希表节点的，具体代码以下：app
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
//hash值
final int hash;
//map中的key
final K key;
//map中的值
V value;
//指向的下一个节点，用于hash表中的链表
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;
}
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;
}
}
另外，经过定义继承LinkedHashMap.Entry<K,V> 来定义TreeNode<K,V>做为红黑树的节点，具体代码在下一节介绍。ide
2、源码分析
HashMap继承自AbstractMap，而且实现了Map、Cloneable和Serializable接口，具体的源码分析以下：函数
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
{
/**
* 默认初始化容量大小，必须是2的次幂
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
/**
* 最大的容量
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 默认负载因子.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 链表节点转红黑树节点的阈值，9个节点时转
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
/**
* 红黑树节点转为链表的阈值，6个节点时转
*/
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/**
* 链表节点转红黑树节点时，哈希表达最小节点为64
*/
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
/**
* 链表节点结构
*/
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;
}
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;
}
}
/* ---------------- 静态公用方法 -------------- */
/**
* 对hashCode的hash计算如总结中图所示：
* 在设计hash函数时，由于目前的table长度n为2的次幂，因此计算下标的时候，可以使用按位与&代替取模%：(n - 1) & hash。
* 设计者想了一个顾全大局的方法(综合考虑了速度、做用、质量)，就是把高16bit和低16bit异或了一下。
* 设计者还解释到由于如今大多数的hashCode的分布已经很不错了，就算是发生了碰撞也用O(logn)的tree去作了。
* 仅仅异或一下，既减小了系统的开销，也不会形成由于高位没有参与下标的计算(table长度比较小)时，引发的碰撞。
*/
/**
*计算hash值，根据key的hashCode计算
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
/**
* 若是对象实现了Comparable接口，则返回其Class对象
*/
static Class<?> comparableClassFor(Object x) {
if (x instanceof Comparable) {
Class<?> c; Type[] ts, as; Type t; ParameterizedType p;
if ((c = x.getClass()) == String.class) // bypass checks
return c;
if ((ts = c.getGenericInterfaces()) != null) {
for (int i = 0; i < ts.length; ++i) {
if (((t = ts[i]) instanceof ParameterizedType) &&
((p = (ParameterizedType)t).getRawType() ==
Comparable.class) &&
(as = p.getActualTypeArguments()) != null &&
as.length == 1 && as[0] == c) // type arg is c
return c;
}
}
}
return null;
}
/**
* 若是x和kc匹配，返回k.compareTo(x)，不然返回0。
*/
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) // for cast to Comparable
static int compareComparables(Class<?> kc, Object k, Object x) {
return (x == null || x.getClass() != kc ? 0 :
((Comparable)k).compareTo(x));
}
/**
* 根据给定的容量大小，返回一个2的次幂大小的值。好比，cap=7，返回8
*/
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;
}
/* ---------------- 成员变量 -------------- */
/**
* 哈希表定义，在第一次使用时初始化
*/
transient Node<K,V>[] table;
/**
* 节点缓存
*/
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
/**
* map中含有key-value的大小
*/
transient int size;
/**
* 修改次数
*/
transient int modCount;
/**
* 下次要调整容量的大小 (capacity * load factor).
*/
int threshold;
/**
* 哈希表的负载因子
*/
final float loadFactor;
/* ---------------- 公共操做 -------------- */
/**
* 给定初始化容量和负载因子的构造方法
*/
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;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* 给定初始化大小的构造函数
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 无参构造方法
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/**
* 经过给定的map构造一个hashmap，负载因子是0.75
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
/**
* 此方法是先构造一个hashMap对象，调用putVal方法将m中的元素入新map
*
*/
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
//m的大小
int s = m.size();
if (s > 0) {
//table没有初始化，先计算threshold
if (table == null) { // pre-size
//获取容量初始大小,+1能够节省一次resize
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
//计算threshold
if (t > threshold)
threshold = tableSizeFor(t);
}
//若是threshold小于s,调整大小
else if (s > threshold)
resize();
//调用 putVal将m中的节点元素入此hashmap
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);
}
}
}
/**
* 返回map中key-value中的数量
*/
public int size() {
return size;
}
/**
* 返回map中key-value中的数量是否为0
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
/**
* 经过key获取一个节点元素，若是不存在，返回null
*
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* Map.get的实现方法
*/
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
//若是table不为空，且长度大于0、经过hash能找到第一个节点
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//检查第一个节点，判断key是否相等
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//若是有下一个节点
if ((e = first.next) != null) {
//判断是否为红黑树节点，若是是，调用getTreeNode方法获取节点元素
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
//循环取下一个节点比较
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
/**
* 返回map中是否包含key
*/
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
/**
* 调用putVal方法，添加一个节点
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* Map.put的实现方法
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent 若是是true,不替换已存在value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//若是table为空，或者大小为0，调用resize方法
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//hash后，若是此位置的节点为null,则新建节点，赋值到此位置
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//检查第一个节点，若是key一致，替换节点
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//若是此节点时红黑树节点，调用红黑树putTreeVal方法添加节点
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//到最后一个节点，新建此节点，而且检查是否转换为红黑树
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//根据onlyIfAbsent 判断是否须要替换value
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//size+1
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
/**
* 数组初始化或者加倍
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
//原数组的大小
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//原数组的阈值
int oldThr = threshold;
//新的大小和阈值
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
//若是原数组容量已大于等于最大容量，阈值赋值最大整数，返回原数组
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//若是容量加倍小于最大容量，而且原容量大小大于等于初始默认容量，新阈值翻倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//若是原阈值大于0，则新阈值就是原阈值
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
//不然，新阈值和新容量都默认
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
//若是新阈值为0，经过加载因子和新容量计算新阈值
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
//将新阈值赋值threshold
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
//定义新的数组
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
//table指向新的数组
table = newTab;
//若是原数组为空，直接返回新定义数组，第一次put时
if (oldTab != null) {
//遍历原数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
//若是当前节点不为空
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
//若是下一个节点为空
if (e.next == null)
//hash到新表
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//判断是否为红黑树节点，若是是，调用split方法处理
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;
do {
next = e.next;
/**
* 此处关键的是(e.hash & oldCap) == 0，若是这个表达式为true,则(e.hash & (oldCap - 1))
* 和(e.hash & (newCap - 1))值是同样的，说明节点的位置没有发生变化。这样作的缘由是oldCap和newCap都是
* 2的次幂，而且newCap是oldCap的2倍，表示oldCap转换为二进制的惟一一个1向高位移位一次。下面举例说明：
* 好比，oldCap=16，则newCap=32。若是(e.hash & oldCap) == 0，
* 由于e.hash & 0x10000 == 0, e.hash & 0x100000 == 0,如今e.hash的位置是由e.hash & 0x1111肯定，
* 则e.hash & 0x11111 的值也是同样的。根据这一个二进制位就能够判断下次hash定位在
* 哪里了。将hash冲突的元素连在两条链表上放在相应的位置
*/
//将位置不变的节点放到链表loHead
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//将位置变化的节点，放到链表hiHead
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
//将loHead放到新表位置
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
//将hiHead放到新表位置
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
}
3、使用示例
一、重写equals时也要同时重写hashCode
在HashMap中，做为key的对象，若是重写了equals方法，hashCode也要覆盖重写，下面经过一个例子说明不重写会出现什么问题：源码分析
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
Dog dog = new Dog("test1", 1);
Cat cat = new Cat("test2", 2);
Map<Dog, String> map1 = new HashMap<>(1);
map1.put(dog, "测试1");
Map<Cat, String> map2 = new HashMap<>(1);
map2.put(cat, "测试2");
System.out.println("没有重写hashCode方法：" + map1.get(new Dog("test1", 1)));
System.out.println("重写hashCode方法：" + map2.get(new Cat("test2", 2)));
}
/**
* 只重写了equals方法
*/
static class Dog {
private String name;
private Integer id;
public Dog(String name, Integer id){
this.name = name;
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Integer getId() {
return id;
}
public void setId(Integer id) {
this.id = id;
}
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj){
return true;
}
if (obj == null || obj.getClass() != this.getClass()){
return false;
}
Dog dog = (Dog) obj;
return (this.id != null) && (this.id.equals(dog.id));
}
}
/**
* 重写了equals和hashCode方法
*/
static class Cat {
private String name;
private Integer id;
public Cat(String name, Integer id){
this.name = name;
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Integer getId() {
return id;
}
public void setId(Integer id) {
this.id = id;
}
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj){
return true;
}
if (obj == null || obj.getClass() != this.getClass()){
return false;
}
Cat cat = (Cat) obj;
return (this.id != null) && (this.id.equals(cat.id));
}
@Override
public int hashCode() {
if (this.id == null){
return 0;
}
return this.id;
}
}
}
上述代码运行结果以下：性能
能够看到，没有重写hashCode方法的对象做为key,查询获得的是null，由于两个对象的hashCode的并不一致，因此致使取到的是null。测试
二、HashMap的遍历方式
HashMap提供了对key-value、key、value等多种遍历方式，下面经过一个示例演示其用法：
public class HashMapIteratorTest {
public static void main(String[] args) {
Map<String, String > map = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
}
entrySetForeach(map);
entrySetIterator(map);
keySet(map);
valueSet(map);
foreachJdk8(map);
}
/**
* 获取Map.Entry，而后遍历key 和value，经过foreach遍历
* @param map
*/
static void entrySetForeach(Map<String , String > map){
for (Map.Entry<String , String> entry: map.entrySet()
) {
System.out.print("key:" + entry.getKey() + ",value:" + entry.getValue() + "----");
}
System.out.println();
}
/**
* 获取Map.Entry，而后遍历key 和value，经过Iterator遍历
* @param map
*/
static void entrySetIterator(Map<String , String > map){
Iterator<Map.Entry<String , String>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()){
Map.Entry<String , String> entry = iterator.next();
System.out.print("key:" + entry.getKey() + ",value:" + entry.getValue() + "----");
}
System.out.println();
}
/**
* 获取keySet,遍历key,一样支持foreach和Iterator遍历，只实现foreach
* @param map
*/
static void keySet(Map<String , String > map){
for (String string: map.keySet()
) {
System.out.print("key:" + string + "----");
}
System.out.println();
}
/**
* 获取values,遍历value,
* @param map
*/
static void valueSet(Map<String , String > map){
for (String string: map.values()
) {
System.out.print("value:" + string + "----");
}
System.out.println();
}
static void foreachJdk8(Map<String , String > map){
map.forEach((k, v)-> System.out.print("key:" + k + ",value:" + v + "----"));
System.out.println();
}
}
4、总结
- 在HashMap的使用中，建议设置已知的大小，由于在扩容的时候，resize方法要重建hash表，严重影响性能。
-
HashMap定义和扩展中，大小必须为2的次幂，这样作的缘由以下：
a、计算位置时：(n - 1) & hash能够实现一个均匀分布。 b、hash%length==hash&(length-1)的前提是length是2的次幂。length是2次幂时，能够用觉得代替取模，提升效率。
- 扩容过程当中会新数组会和原来的数组有指针引用关系，因此将引发死循环问题。JDK1.8中已经解决这个问题了。
对hashCode的hash计算
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