JDK1.8 HashMap源码解析

JDK源码深揪，JDK1.8版本。

摘要

HashMap 经常用到的 java 内置的数据结构，今天就深入源码瞧瞧,刨一刨。

HashMap 是对 Map 接口的一种哈希表的实现，是 key-value（键-值对），通过 key 可以常数时间内找到 value 。它是非线程安全，如果需要满足线程安全，可以用 Collections 的 synchronizedMap 方法使 HashMap 具有线程安全的能力，或者使用 ConcurrentHashMap。但是 HashMap 不是 Collection 的子集，但是 HashMap 的 key 和value 都可以单独的转换成 Collection子集，比如转换成 Set。HashMap 允许存在 null的，最多只允许一条记录的键为 null，允许多条记录的值为 null。

那我就简单的看一看 HashMap 源码，也是我第一次看整个类，以前都是需要哪个方法就跳进去看看，过程又惊喜又痛苦。

源码解析

HashMap继承自AbstractMap,并且实现了Map,Cloneable,Serializable接口。

1 2	public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

常量

HashMap 的初始容量为16，最大的容量为1073741824（1<<30），当构造函数中没有指定参数时，使用的默认负载因子为0.75f , 使用了基于数组哈希表的结构，数组中每一个元素都是一个链表，把数组中的每一格称为一个桶(bin或bucket)。当HashMap中节点数量超过容量和装填因子的积，会进行扩容操作，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍（左位移操作）。

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static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16  初始容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;        // 最大的容量
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     // 负载因子 ， 加载因子 ， 装填因子

HashMap 的扩容及树化过程中会涉及下列常量，当好多的节点（node）被映射在同一个桶（bin）中的时，如果这个桶（bin）的数量小于TREEIFY_THRESHOLD，不会转换成树性结构；如果这个桶（bin）的节点（node）数量大于TREEIFY_THRESHOLD,但是容量（总节点数）却小于MIN_TREEIFY_CAPACITY,则依然使用链表结构进行存储，此时会对HashMap进行扩容，如果容量大于MIN_TREEIFY_CAPACITY就开始进行树形化。

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static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;      
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;     
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

成员变量

来看看成员变量， transient 此成员变量不可序列化。都知道 HashMap 是数组链表（+红黑树），Node<K,V>[] table 是哈希桶数组。对于红黑树抽空搞一搞。

transient Node<K,V>[] table;
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;  // 保持缓存的entrySet()
transient int size;                   // 实际HashMap拥有key-value数 
transient int modCount;    // 此字段用于使HashMap的集合视图上的迭代器失效
int threshold;        // 下一次调整大小的阈值（capacity * load factor）。
final float loadFactor;   // 负载因子

节点

HashMap 的节点，第一个是链表节点，第二个是红黑树节点。

//链表节点
/**
* Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for
* TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
*/
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;
    }
//详情略。。。

//红黑树节点
/**
* 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);
    }
//详情略。。。

构造函数

HashMap 有四个构造函数，主要涉及两个成员变量loadFactor（负载因子）threshold（下一次调整大小的阈值（capacity * load factor））。构造函数并不会创建空间，第一次put操作才会创建空间，懒加载过程。

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
       
public HashMap(int initialCapacity) {

public HashMap() {
        
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { 

//保证容量是2的幂 
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;
}

Hash 算法和扩容过程

Hash 算法

hash算法三个步骤：

用 key 的 hashCode() 获取 hash 值。
无符号右移16位（无符号，空位补0，一共32位），然后异或(^)运算。这样可以避免只靠低位数据来计算哈希时导致的冲突，计算结果由高低位结合决定，可以避免哈希值分布不均匀。
最后用table的长度求模（h%table.length）。比如，在获取和插入方法getNode(),putVal() 都有求模运算，只不过用与(&)运算来代替模运算来提高效率。

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

//插入方法 和 查询方法 内部小块代码 ，table是node数组
Node<K,V>[] tab;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

图解，图片地址http://blog.csdn.net/u011240877/article/details/53351188

hash
hash

扩容过程

这篇文章（http://blog.csdn.net/fan2012huan/article/details/51088211）中有笔者详细实验，详细记录了扩容过程，但是我这里就刨一刨代码是怎么实现的。

直接看代码。

/**
* 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() {
    //复制一份 数据链表数据
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    //保存旧的数据 阈值
    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;
        }
        //新增容量为以前的两倍
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
        newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    //如果旧的容量为0，旧的阈值>0，说明创建了hashtable 但是没有添加数据，
    //初始化容量等于阈值
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        //都是0，还没创建hashtable，所以初始化 ，构造函数里也用了扩容
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
        //如果新的阈值 为 0 ，就得重新 计算一次
    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"})
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    // 遍历复制
    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;
                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;
                        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;
}

公共方法

//返回size。
public int size()

// 是否为空。
public boolean isEmpty()

// 获取value，里面调用了final getNode（int hash, Object key）方法。
public V get(Object key)

// 是否存在key，里面调用了final getNode（int hash, Object key）方法。
public boolean containsKey(Object key)

// 与key相关联的上一个value，如果不存在key，是新加key-value，则返回null。
public V put(K key, V value)

// 将指定map的所有映射复制到此map。这个跟用map构造函数一样。
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)

// 删除key对应的key-value，删除成功返回上一个value值。
public V remove(Object key)

// 删除所有节点
public void clear()

//value 是否存在
public boolean containsValue(Object value)

// 返回key的set集合
public Set keySet()

// 返回value的Colection集合，跟AbstractMap 里变量 values 有关。
public Collection values()

// 返回key-value 的MapEntry
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()

jdk1.8 扩展的方法，都是重写了Map 接口

// 重写Map接口的方法，获取value ，不存在则得到默认值
public V getOrDefault(Object key, V defaultValue)

// 重写Map接口的方法，如果指定的key尚未与value相关联（或映射到{@code null}），则将其与给定value相关联并返回{@code null}，否则返回当前value。
public V putIfAbsent(K key, V value)

// 删除节点，里面返回了节点并且判断了是否为空。
public boolean remove(Object key, Object value)

// 仅当当前映射到指定的oldValue时，才能替换成newValue。
public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue)

// 替换key 对应得value，返回以前的value 或 null。
public V replace(K key, V value)

// 如果指定的key尚未与value相关联（或映射到null），则尝试使用给定的映射函数计算其value，并将其输入到此映射中，除非为null。返回与指定key相关联的当前（现有或计算）value，如果计算值为空，则为null。
public V computeIfAbsent(K key, Function<? super K, ? extends V> mappingFunction)

后面是一些三个迭代器（key,value,entry）和 TreeNode 相关代码，不看了，目前还没兴趣往下看。

参考文献

JDK1.8 源码
https://tech.meituan.com/java-hashmap.html
http://blog.csdn.net/fan2012huan/article/details/51088211
http://blog.jrwang.me/2016/java-collections-hashmap/
http://blog.csdn.net/u011240877/article/details/53351188

完结。

Contents

摘要