HashMap源码阅读

Map类结构

Java的集合类主要由两个接口派生出来，

Collection

和

Map

，上一节我们讨论过

Collection

接口结构，现在来看下

Map

接口。

HashMap	一种存储键/值关联的数据结构
Hashtable	一种用synchronized包裹其内部方法的映射表，保证线程安全
TreeMap	一种有序排列的映射表
EnumMap	一种属于枚举类型的映射表，枚举类型元素集的高效实现，采用位序列实现
LinkedHashMap	一种可以记住键/值添加顺序的映射表
WeakHashMap	一种其值无用武之地可以被垃圾回收器回收的映射表
IdentityHashMap	一种用==而不是equals比较键值的映射表

HashMap

HashMap

中get和put操作平均是常数时间，元素能平均的映射到每一个桶中。遍历映射表的性能和其容量成正相关，若需要保证遍历的高性能，映射表的初始大小不能太大以及装填因子不能设置太小。

HashMap

有两个因素影响其性能：初始容量和装填因子，容量指的是映射表中桶的数量，装填因子用于衡量映射表装满的程度。当映射表中元素数量超过装填因子和当前容量的乘积时，映射表将会加倍其容量，并对元素进化重hash操作。

默认装填因子是0.75，能在时间和空间上保持一个较好的平衡。若有大量元素需要加入

HashMap

，初始化一个足够大的映射表来容纳这些元素，其性能比让

HashMap

自动扩容和重哈希效率要高。

HashMap

的实现是非

synchronized

，其对应同步版本是

Hashtable

，多线程环境下需要保证映射表没有产生并发的结构修改(包括添加和删除元素)，若需要并发修改容器结构，需要保证同步修改散列表的结构，或者可以采用

Collections.synchronizedMap(new
HashMap(...))

。

HashMap的实现

类定义

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

成员

HashMap实际是一个数组，数组中每个元素都是一个链表。

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //默认装填因子
/**
* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
*/
transient Entry[] table;
transient int size;
/**
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
*/
int threshold;
final float loadFactor;

哈希表table，注意其长度必须是2的幂，这和采用hash算法有关系。一般采用取模运算

index
= hash_code % size

保证元素在合理范围，但是取模运算效率不高。JDK采用了更快的算法，这个更快的算法源于一个数学规律，size是2的N次方，那么数X对size的模运算结果等价于X和size-1的按位与运算，也就是

X
% size <=> X & (size -1)

。

threshold

阈值等于

capacity
* load factor

，超过阈值时需要加倍扩容并重哈希，注意

loadFactor

声明为final设置以后不能修改。

内部类Entry实际是一个链表，定义如下。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
}

方法

构造方法，可以看到数组的大小保证为2的幂且不小于initialCapacity

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);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity) //保证capacity为2的幂，且不小于initialCapacity
capacity <<= 1;

this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init(); //empty function
}

put方法，JDK中没有直接用key的hash code而是再对其进行一次hash计算保证值尽可能分散，通过取模运算找到table中对应的位置，并添加该位置的链表头部，若存在相同元素(hash code相等、equals为true)，则直接替换原来值。

public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value); //key为null元素放在table[0]位置
int hash = hash(key.hashCode()); //对key的hash code再进行hash计算
int i = indexFor(hash, table.length); //找到table中应当加入的位置[0,length)
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))) {//替换相同元素
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i); //都是添加加在头部
return null;
}

static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1); //高效的hash代替h % length
}

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

添加元素后size++，并判断是否需要扩容，每次扩容都是原来大小的两倍(扩容后大小同样也是2的幂)。扩容以后元素转移到新的table中，table中每个链表元素实际被逆置了。

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);
}

/**
* Transfers all entries from current table to newTable.
*/
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总是加在头部
e = next;
} while (e != null);
}
}
}

get方法，其实put方法中也有get的逻辑，先通过hash找到在table中位置，然后再在链表中查找。

public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}

remove方法，也是先通过hash找到table中位置，然后在链表中删除相应元素。

public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e) //删除链表头
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}

return e;
}

HashMap的视图

集合框架并没有把散列表当作一个集合，

Map

本身是一个顶层接口，不过提供了3个集合类视图：键集合、值集合、键值对集合。分别对应

keySet()

、

values()

、

entrySet()

三个方法的返回值。

在抽象父类

AbstractMap

中定义了键集和值集的引用，由于这些视图是无状态的，没必要每次都重新创建。ketSet方法返回一个内部类

HashMap$KeySet

实例。其本身并没有任何成员和数据结构，都是直接引用外部类的属性和方法来完成相关操作(因此是stateless)。

transient volatile Set<K>        keySet = null;
transient volatile Collection<V> values = null; //define in AbstractMap
private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null; //define in HashMap

public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
}

private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public Iterator<K> iterator() {
return newKeyIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsKey(o);
}
public boolean remove(Object o) {
return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}

KeySet的迭代器返回内部类

KeyIterator

实例，其继承自

HashIterator

,实际

HashIterator

实现了整个

Entry

的迭代，首先找到table中第一个不为空的元素，遍历下一个元素的时候，先判断当前位置所在链表有没有后继节点，有的话往后遍历，否则继续到table中找下一个非空元素。实际三个视图的迭代器都是其子类，只是next返回值不同，可能是key、value或entry。

Iterator<K> newKeyIterator()   {
return new KeyIterator();
}

private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
public K next() {
return nextEntry().getKey();
}
}

private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
public V next() {
return nextEntry().value;
}
}

private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}

private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K,V> next;    // next entry to return
int expectedModCount;   // For fast-fail
int index;      // current slot
Entry<K,V> current; // current entry

HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}

public final boolean hasNext() {
return next != null;
}

final Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) { //table[index]链表下一个为空
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) //table中循环找下一个不为空
;
}
current = e;
return e;
}
}

两位两个视图值集合

values()

和键值对集合

entrySet()

不一一介绍，注意一点值集合是

Collectiont<V>

对象，键值对集合是

Set<Map.Entry<K,V>>

对象。

private final class Values extends AbstractCollection<V> {
...
}
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
...
}

总结

HashMap

本身是一个有数组和链表组成的数据结构，其插入和查找元素的消耗可以看成O(1)。默认散列表内部数组大小保证为2的幂次，由于内部采用了位运算代替了传统取模运算来确定元素插入位置。

HashMap

性能由散列表的容量和装填因子两部分决定，其中装填因子默认是0.75，容量默认是16。

Map

是独立接口，并非

Collection

子接口，但是提供三个集合类视图：键集合、值集合、键值对集合。分别对应

keySet()

、

values()

、

entrySet()

三个方法的返回值，这三个集合视图是无状态的，本身依赖

Map

实例本身。遍历元素可以根据需要采用集合类对应的迭代器进行迭代，迭代支持

fail-fast

。