java8-HashMap源码分析
2017-11-18 20:46
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一、工作原理
HashMap采用哈希表的结构存储键值对,通过put和get方法来存储和获取对象。HashMap有两个重要参数:容量(Capacity)和负载因子(Load factor)。transient Node<K,V>[] table; //bucket数组 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始容量 16 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //默认负载因子 0.75
这两个参数也可以通过构造方法指定:
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); }
Capacity就是buckets的数目,也就是table.length,当bucket填充的数目(即table中元素存储的个数)大于capacity*loadfactor时就需要调整buckets的数目为当前的2倍。注意tableSizeFor方法,会把传入的initialCapacity扩大为2的整数倍,比如设置为15则被扩大为16,设置为17则被扩大为32。具体实现如下:
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; }
HashMap特征:基于Map接口实现、允许null键/值、不保证有序(比如插入的顺序)、也不保证顺序不随时间变化,非线程安全,如果需要线程安全,可使用Collections.synchronizedMap()包装成线程安全的Map。当一个线程在迭代HashMap时,其他线程对其修改,则会抛出ConcurrentModificationException(fail-fast)
二、put方法实现原理
put方法主要步骤:调用hash(key), 对key的hashCode()做hash,(n - 1) & hash计算得到bucket位置
如果没碰撞直接放到bucket里;
如果碰撞了,以链表的形式存在bucket后;
如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD),并且buckets长度>=MIN_TREEIFY_CAPACITY 64就把链表转换成红黑树;
如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
如果bucket满了(超过load factor*current capacity),就要调用resize()扩容。
实现代码如下:
public V put(K key, V value) { // 对key的hashCode()做hash return putVal(hash(key), key, value, false, true); } final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //table为空,先初始化 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; //计算hash对应的位置,null特殊处理 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k; //如果节点已经存在就替换old value if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; //bucket中是红黑树 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); //bucket中是链表 else { for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { p.next = newNode(hash, key, value, null); //链表长度达到设定的转换为红黑树的阈值 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st //注意:这个方法并不是直接将链表转换为红黑树,如果当前buckets长度小于64,则扩容,否则将链表转换为红黑树 treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //当前容量超出 loadfactor*current capacity,则扩容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
三、get方法实现原理
计算key的位置,直接命中bucket里的第一个节点;如果有冲突,
若为树,则在树中通过key.equals(k)查找,O(logn);
若为链表,则在链表中通过key.equals(k)查找,O(n)。
具体代码的实现如下:
public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; } final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // 直接命中第一个节点 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; // 未命中 if ((e = first.next) != null) { // 在树中查找 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); // 在链表中查找 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }
四、hash方法实现原理
先上源码:static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }
然后我们手算验证一下put操作:
Map<String,String> map = new HashMap<String,String>(); map.put("test","1");
h=key.hashCode() 0000 0000 0011 0110 0100 0100 1001 0010 h>>>16 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 0110 --------------------------------------------- hash = h^(h>>>16) 0000 0000 0011 0110 0100 0100 1010 0100 (n-1) 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 (n-1)& hash 0100 = 4
然后打开debug查看一下结果:
hash方法这样设计的巧妙之出在于,将hashCode的高16位也参与到计算中,从而减少碰撞,假设hash方法使用 (n-1)&hashCode 且n - 1为15(0x1111)时,计算位置操作仅仅只有hashCode低四位参与,容易发生碰撞。
五、注意事项
在使用自定义对象作为key时应当注意:1.覆盖equals方法必须遵从通用约定,满足自反性,对称性,传递性,一致性。
2.覆盖equals方法时始终要覆盖hashCode方法(详见《Effective JAVA 第二版》第8,9条)
3.自定义的对象的类最好是不可变类,就是说该类对象一旦创建成功,其内部的状态不会再发生改变,比如String,如果使用可变类对象作为key会发生什么呢?设想一下,当你创建一个key,并且put到HashMap 中,然后修改了key,再使用key从HashMap中执行get操作时,此时的key.hashCode()值已发生改变,很可能无法找到之前put的对象在buckets中的位置。
参考资料
Java HashMap工作原理及实现Effective JAVA第二版
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