Java源码分析：HashMap

HashMap源码分析

一、HashMap概述

hashMap基于hash表，允许使用null键值，不同步（和hashTable的区别）,而且不保证顺序不变。hashMap线程不安全，可以使用下面的代码来获取线程安全的hashMap。

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

二、HashMap的数据结构

HashMap的底层采用数组和链表来实现，计算散列码来决定存储的位置。HashMap使用链表来解决hash冲突。

//静态内部类entry,它是处理hash冲突时的链表,实现了Map.Entry接口，
即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
//下一个节点
Entry<K,V> next;
int hash;

/**
*创建一个entry
*/
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;
}
// 判断两个Entry是否相等
// 若两个Entry的“key”和“value”都相等，则返回true。
// 否则，返回false
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;
}
//k、v综合起来实现hashCode
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}

public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}

/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}

/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}

HashMap其实就是一个Entry数组，Entry对象中包含了键和值，其中next也是一个Entry对象，它就是用来处理hash冲突的，形成一个链表。

三、源码分析

1、关键属性

//初始默认值 16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

//默认的加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

//没扩容前的空实例
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};

//存储元素的实体数组
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

//临界值 当实际大小超过临界值时，会进行扩容threshold = 加载因子*容量
int threshold;
//被修改次数
transient int modCount;

loadFactor因子表示Hash表中的填满程度，如果加载因子越打，说明空间利用率高，但是冲突的机会更大，查找效率降低。这种“冲突的机会”和“空间利用率”也是时空之间的一种折衷。

2、构造方法

下面看看HashMap的几种构造方法

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//确保参数合法性
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;
threshold = initialCapacity;
//初始化，源码里面什么都没有 主要是提供给子类在map初始化的时候覆盖使用
init();
}

public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

//默认容量
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

//直接装填一个已有的map<K,V>
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
//比较已有map/加载因子+1 和 初始容量的大小
this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
//进行扩容
inflateTable(threshold);

putAllForCreate(m);
}

下面的代码是介绍如何扩容和装填的。

private void inflateTable(int toSize) {
// 进行扩容
// Find a power of 2 >= toSize
//用工具扩容保障容量为2的整数次幂
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
//获得边界值
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
//初始化entry数组
table = new Entry[capacity];
//初始化hashseed，hashSeed用于计算key的hash值，
它与key的hashCode进行按位异或运算。这个hashSeed是一个与实例相关的随机值，主要用于解决hash冲突。
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
//这里是工具类，始终将hashMap的size扩充为2的整数次幂
//highestOneBit(number)返回一个数最左边的1位代表的整数
//比如170 二进制10101010 返回10000000代表的整数128
private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
// assert number >= 0 : "number must be non-negative";
int rounded = number >= MAXIMUM_CAPACITY
? MAXIMUM_CAPACITY
: (rounded = Integer.highestOneBit(number)) != 0
? (Integer.bitCount(number) > 1) ? rounded << 1 : rounded
: 1;

return rounded;
}

为什么hash表大小一定要2的n次幂？这里给大家看hashMap的散列算法是如何实现的。

/**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}

这里主要是用hash值和 hash的size-1相与。举个例子，如果size = 50,减一后49的二进制为11001，任何一个数和它相与的结果只能有8种情况：

000000:0

000001:1

010000:16

010001:17

100000:32

100001:33

110000:48

110001:49

但是如果是32，它的二进制是100000，减1后为：11111 ，这样就会出现32种情况，做大最大散列。

下面再来看put和get操作：

public V put(K key, V value) {
//如果数组为空则扩充
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
//如果key为空则跳到处理key为空的方法里
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//key不为空时，计算hash值
int hash = hash(key);
//计算索引
int i = indexFor(hash, table.length);
//如果Key存在则覆盖原来的值，如果冲突则从数组索引的后面链表处继续添加
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//k的hash完全相等则替换value,不相等则跳到addEntry方法
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
//修改次数增加
modCount++;
//添加新Ｅｎｔｒｙ
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
//这里是添加null key的方法
private V putForNullKey(V value) {
／／如果null key 上有值则覆盖，无值则添加
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;
}

//get 主要是通过key获取entry
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);

return null == entry ? null : entry.getValue();
}
//首先获取key的hash code，用indexFor定位到数组索引，然后再从数组索引当作链表头往后找
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}

int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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 != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//根据hash code值的索引进行扩容
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);
}

看到这里，就到了resize方法了，看看resize方法的源码：

void resize(int newCapacity) {
//首先确定新的值，然后调用transfer方法
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}

Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//这里传入新的table和hashseed
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
　//这里是最耗时的地方，遍历之前的table，重新装填
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
//根据新的hash计算索引位置
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}

hashMap的主要代码就是上面这些了，最精妙的我觉得是那个２的Ｎ次方做散列。