深入JDK源码系列：HashMap详解

继续挖掘 HashMap 背后的故事。

1. 特性

HashMap 是一个双列集合，存储的元素都是 key - value 形式的键值对，使用哈希表作为内部数据结构，不保证存入和取出元素的顺序，允许使用 null 键和 null 值，方法上没有使用 synchronized ，线程不安全，继承自 AbstractMap 类，实现了 Map 接口。

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

private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
// ...省略...
}

2. 内部数据结构

内部是一个 Node 数组，而数组的每一项又是一个单向链表，这个链表用来存储发生哈希冲突的元素，在 Java8 中，如果发生哈希冲突的次数超过了 8 次，就会将链表转化成一颗红黑树。

/**
* The table, initialized on first use, and resized as
* necessary. When allocated, length is always a power of two.
* (We also tolerate length zero in some operations to allow
* bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
*
* 第一次使用的时候便会初始化的数组，在需要的情况下可以调整它的大小
* 调整大小时，数组的长度必须是 2 的整数倍
* 在进行某些操作不需要该数组的时候，允许数组的长度为 0 ，以便于在虚拟机启动的时候节省内存
*/
transient Node<K,V>[] table;

/**
* Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for
* TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
*
* HashMap 中所存储的元素的类型，可以看出我们存储的 key 和 value 都是作为这个 Node 类的两个属性
* 这个 Node 中由于有一个 next 属性用来指向发生哈希冲突的下一个节点，所以构成了一个单向链表
*/
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;
}
}

/**
* The bin count threshold for using a tree rather than list for a
* bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
* bin with at least this many nodes. The value must be greater
* than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
* tree removal about conversion back to plain bins upon
*
* 一旦哈希冲突的次数达到了这个门限值（8），会将单向链表转化成一颗红黑树
* 遍历单链表的时间复杂度是O（n），而遍历一颗二叉树的时间复杂度是O（logn）
* 这就会将最坏的情况下 HashMap 的查找的时间复杂度从O（n）提高到O（logn）
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

/**
* Entry for Tree bins. Extends LinkedHashMap.Entry (which in turn
* extends Node) so can be used as extension of either regular or
* linked node.
*
* 频繁的发生哈希冲突时所采用的红黑树的类型定义
*/
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 下一步删除的时候用来断开连接
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
}

3. 一些重要的属性

/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
* HashMap 默认的容量，必须是 2 的整数倍
*/
static final int 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.
* HashMap 中 Node 数组的大小最大是 2 的 30 次方
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

/**
* The load factor used when none specified in constructor.
* 默认的装载因子，当 HashMap 中元素的个数已经达到了容量 * 0.75f 时，对哈希桶（形象的形容 Node 数组）进行扩容，容量是原来的 2 倍
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

/**
* The load factor for the hash table.
*上面是默认的装载因子的大小，这个是实际值
* @serial
*/
final float loadFactor;

/**
* Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
* for keySet() and values().
* 存放的是键值对对象 Entry （其实 Node 节点实现了这个 Map.Entry 接口）
*/
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

/**
* The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
* resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
* most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
*
* 将哈希桶的数据结构由红黑树装换成单向链表的条件：
* 哈希桶的中的节点树最大为6个的时候，将其装换成单向链表
*/
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

/**
* The smallest table capacity for which bins may be treeified.
* (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
* Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
* between resizing and treeification thresholds.
* 如果哈希桶的数据结构要转换为红黑树，那么哈希桶最少的数量应达到这个值
*/
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

/**
* The number of key-value mappings contained in this map.
*
* HashMap 中所存储的键值对的数量，并不是哈希桶的容量
*/
transient int size;

/**
* The next size value at which to resize (capacity * load factor).
* 当数组中下一个元素的个数达到这个门限值的时候，将会 rehash （重新调整数组的大小，并把原数组中的元素都存放到新数组中）
*
* 门限值 = 数组容量 * 装载因子的大小
* @serial
*/
int threshold;

4. HashTable 和 HashMap的区别

4.1 继承的父类不同

Hashtable继承自Dictionary类，而HashMap继承自AbstractMap类。但二者都实现了Map接口。

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

public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
...
}

4.2 线程的安全性不同

Hashtable 中的方法是Synchronize的，而HashMap中的方法在默认的情况下是非Synchronize的。

例如：

/**
* Returns the number of keys in this hashtable.
*
* 这是 Hashtable 的 size 方法
* @return  the number of keys in this hashtable.
*/
public synchronized int size() {
return count;
}

/**
* Returns the number of key-value mappings in this map.
*
* 这是 HashMap 的 size 方法
* @return the number of key-value mappings in this map
*/
public int size() {
return size;
}

4.3 是否提供 contains 方法

HashMap 把 Hashtable 的 contains 方法去掉了，改成 containsValue 和 containsKey，因为 contains 方法容易让人引起误解。

Hashtable 则保留了 contains，containsValue 和 containsKey 三个方法，其中 contains 和 containsValue 功能相同。

/**
* 这是 HashTable 的 containsValue 方法，可以看出它调用的就是 contains 方法，但是这里并没有加 synchronized 同步，是因为...
*/
public boolean containsValue(Object value) {
return contains(value);
}

/**
* 是因为 contains 方法上已经加了同步
*
*/
public synchronized boolean contains(Object value) {
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}

Entry<?,?> tab[] = table;
for (int i = tab.length ; i-- > 0 ;) {
for (Entry<?,?> e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) {
if (e.value.equals(value)) {
return true;
}
}
}
return false;
}

4.4 key 和 value 是否允许 null 值

其中 key 和 value 都是对象，并且不能包含重复 key，但可以包含重复的 value。

Hashtable 中，key 和 value 都不允许出现 null 值。

HashMap 中，null 可以作为键，这样的键只有一个；可以有一个或多个键所对应的值为 null 。当 get() 方法返回 null 值时，可能是 HashMap 中没有该键，也可能使该键所对应的值为 null 。因此，在 HashMap 中不能由 get() 方法来判断 HashMap 中是否存在某个键， 而应该用 containsKey() 方法来判断。

4.5 ：哈希值的计算方法不同

Hashtable 直接使用的是对象的 hashCode ,而 HashMap 则是在对象的 hashCode 的基础上还进行了一些变化。

4.6 内部实现使用的数组初始化和扩容方式不同

HashTable 初始大小是11，而 HashMap 初始大小是16。

Hashtable 采用的是 2 * old + 1 ,而 HashMap 是 2 * old。

/**
* Constructs a new, empty hashtable with a default initial capacity (11)
* and load factor (0.75).
* 初始容量默认为 11 ，装载因子是 0.75
*/
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}