Java HashMap 源码解析

Java HashMap 源码解析

继上一篇文章Java集合框架综述后，今天正式开始分析具体集合类的代码，首先以既熟悉又陌生的HashMap开始。

签名（signature）

123	publicclassHashMap<K,V>extendsAbstractMap<K,V>implementsMap<K,V>, Cloneable, Serializable

可以看到

HashMap

继承了

标记接口Cloneable，用于表明

HashMap

对象会重写

java.lang.Object#clone()

方法，HashMap实现的是浅拷贝（shallow
copy）。
标记接口Serializable，用于表明

HashMap

对象可以被序列化

比较有意思的是，

HashMap

同时继承了抽象类

AbstractMap

与接口

Map

，因为抽象类

AbstractMap

的签名为

1	publicabstractclassAbstractMap<K,V> implementsMap<K,V>

Stack
Overfloooow上解释到：

在语法层面继承接口

Map

是多余的，这么做仅仅是为了让阅读代码的人明确知道

HashMap

是属于

Map

体系的，起到了文档的作用

AbstractMap

相当于个辅助类，

Map

的一些操作这里面已经提供了默认实现，后面具体的子类如果没有特殊行为，可直接使用

AbstractMap

提供的实现。

Cloneable接口

It's evil, don't use it.

Cloneable

这个接口设计的非常不好，最致命的一点是它里面竟然没有

clone

方法，也就是说我们自己写的类完全可以实现这个接口的同时不重写

clone

方法。

关于

Cloneable

的不足，大家可以去看看《Effective Java》一书的作者给出的理由，在所给链接的文章里，Josh
Bloch也会讲如何实现深拷贝比较好，我这里就不在赘述了。

Map接口

在eclipse中的outline面板可以看到

Map

接口里面包含以下成员方法与内部类：



Map_field_method

可以看到，这里的成员方法不外乎是“增删改查”，这也反映了我们编写程序时，一定是以“数据”为导向的。

在上篇文章讲了

Map

虽然并不是

Collection

，但是它提供了三种“集合视角”（collection
views），与下面三个方法一一对应：

Set<K>
keySet()

，提供key的集合视角

Collection<V>
values()

，提供value的集合视角

Set<Map.Entry<K,
V>> entrySet()

，提供key-value序对的集合视角，这里用内部类

Map.Entry

表示序对

AbstractMap抽象类

AbstractMap

对

Map

中的方法提供了一个基本实现，减少了实现

Map

接口的工作量。

举例来说：

如果要实现个不可变（unmodifiable）的map，那么只需继承

AbstractMap

，然后实现其

entrySet

方法，这个方法返回的set不支持add与remove，同时这个set的迭代器（iterator）不支持remove操作即可。

相反，如果要实现个可变（modifiable）的map，首先继承

AbstractMap

，然后重写（override）

AbstractMap

的put方法，同时实现

entrySet

所返回set的迭代器的remove方法即可。

设计理念（design concept）

哈希表（hash table）

HashMap

是一种基于哈希表（hash
table）实现的map，哈希表（也叫关联数组）一种通用的数据结构，大多数的现代语言都原生支持，其概念也比较简单：

key经过hash函数作用后得到一个槽（buckets或slots）的索引（index），槽中保存着我们想要获取的值

，如下图所示



hash
table demo

很容易想到，一些不同的key经过同一hash函数后可能产生相同的索引，也就是产生了冲突，这是在所难免的。

所以利用哈希表这种数据结构实现具体类时，需要：

设计个好的hash函数，使冲突尽可能的减少
其次是需要解决发生冲突后如何处理。

后面会重点介绍

HashMap

是如何解决这两个问题的。

HashMap的一些特点

线程非安全，并且允许key与value都为null值，

HashTable

与之相反，为线程安全，key与value都不允许null值。
不保证其内部元素的顺序，而且随着时间的推移，同一元素的位置也可能改变（resize的情况）
put、get操作的时间复杂度为O(1)。
遍历其集合视角的时间复杂度与其容量（capacity，槽的个数）和现有元素的大小（entry的个数）成正比，所以如果遍历的性能要求很高，不要把capactiy设置的过高或把平衡因子（load factor，当entry数大于capacity*loadFactor时，会进行resize，reside会导致key进行rehash）设置的过低。
由于HashMap是线程非安全的，这也就是意味着如果多个线程同时对一hashmap的集合试图做迭代时有结构的上改变（添加、删除entry，只改变entry的value的值不算结构改变），那么会报ConcurrentModificationException，专业术语叫

fail-fast

，尽早报错对于多线程程序来说是很有必要的。

Map
m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));

通过这种方式可以得到一个线程安全的map。

源码剖析

首先从构造函数开始讲，

HashMap

遵循集合框架的约束，提供了一个参数为空的构造函数与有一个参数且参数类型为Map的构造函数。除此之外，还提供了两个构造函数，用于设置

HashMap

的容量（capacity）与平衡因子（loadFactor）。

1234567891011121314151617181920

publicHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {if (initialCapacity < 0)thrownew IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))thrownew IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);this.loadFactor = loadFactor; threshold = initialCapacity; init();}publicHashMap(int initialCapacity) {this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}publicHashMap() {this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}

从代码上可以看到，容量与平衡因子都有个默认值，并且容量有个最大值

12345678910111213141516

/** * The default initial capacity - MUST be a power of two. */staticfinalint DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16/** * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified * by either of the constructors with arguments. * MUST be a power of two <= 1<<30. */staticfinalint MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;/** * The load factor used when none specified in constructor. */staticfinalfloat DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

可以看到，默认的平衡因子为0.75，这是权衡了时间复杂度与空间复杂度之后的最好取值（JDK说是最好的