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BAT面试必问HashMap源码分析

2019-06-12 21:58 615 查看

HashMap 简介

HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的Map接口实现，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由数组+链表组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）.JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

底层数据结构分析

JDK1.8之前

JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在一起使用也就是 链表散列。HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过

(n - 1) & hash

判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:

JDK 1.8 的 hash方法相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。

static

final

int

hash(

Object

key) {

int

h;

// key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode

// ^ ：按位异或

// >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐

return

(key ==

null

) ?

: (h = key.hashCode()) ^ (h >>>

);

对比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源码.

static

int hash(int h) {

// This function ensures that hashCodes that differ only by

// constant multiples at each bit position have a bounded

// number of collisions (approximately 8 at default load factor).

h ^= (h >>>

) ^ (h >>>

);

return

h ^ (h >>>

) ^ (h >>>

);

相比于 JDK1.8 的 hash 方法，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。

所谓 “拉链法” 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

JDK1.8之后

相比于之前的版本，jdk1.8在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

类的属性：

public

class

HashMap<K,V>

extends

AbstractMap<K,V>

implements

Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

// 序列号

private

static

final

long

serialVersionUID = 362498820763181265L;

// 默认的初始容量是16

static

final

int

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY =

<<

// 最大容量

static

final

int

MAXIMUM_CAPACITY =

<<

// 默认的填充因子

static

final

float

DEFAULT_LOAD_FACTOR =

.75f;

// 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树

static

final

int

TREEIFY_THRESHOLD =

// 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表

static

final

int

UNTREEIFY_THRESHOLD =

// 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小

static

final

int

MIN_TREEIFY_CAPACITY =

// 存储元素的数组，总是2的幂次倍

transient

Node<k,v>[] table;

// 存放具体元素的集

transient

Set<map.entry<k,v>> entrySet;

// 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。

transient

int

size;

// 每次扩容和更改map结构的计数器

transient

int

modCount;

// 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容

int

threshold;

// 填充因子

final

float

loadFactor;

loadFactor加载因子

loadFactor加载因子是控制数组存放数据的疏密程度，loadFactor越趋近于1，那么数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，load Factor越小，也就是趋近于0，

loadFactor太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor的默认值为0.75f是官方给出的一个比较好的临界值。

threshold

threshold = capacity * loadFactor，当Size>=threshold的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是衡量数组是否需要扩增的一个标准。

Node节点类源码：

// 继承自 Map.Entry<K,V>

static

class

Node<K,V>

implements

Map.Entry<K,V> {

final

int

hash;

// 哈希值，存放元素到hashmap中时用来与其他元素hash值比较

final

K key;

//键

V value;

//值

// 指向下一个节点

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;

public

final

K getKey()        {

return

key; }

public

final

V getValue()      {

return

value; }

public

final

String toString() {

return

key +

"="

+ value; }

// 重写hashCode()方法

public

final

int

hashCode() {

return

Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);

public

final

V setValue(V newValue) {

V oldValue = value;

value = newValue;

return

oldValue;

// 重写 equals() 方法

public

final

boolean

equals(Object o) {

if

(o ==

this

return

true

if

(o

instanceof

Map.Entry) {

Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;

if

(Objects.equals(key, e.getKey()) &&

Objects.equals(value, e.getValue()))

return

true

return

false

树节点类源码：

1 29e52 6

static

final

class

TreeNode<K,V>

extends

LinkedHashMap.Entry<K,V> {

TreeNode<K,V> parent;

// 父

TreeNode<K,V> left;

// 左

TreeNode<K,V> right;

// 右

TreeNode<K,V> prev;

// needed to unlink next upon deletion

boolean

red;

// 判断颜色

TreeNode(

int

hash, K key, V val, Node<K,V> next) {

super

(hash, key, val, next);

// 返回根节点

final

TreeNode<K,V> root() {

for

(TreeNode<K,V> r =

this

, p;;) {

if

((p = r.parent) ==

null

return

r;

r = p;

HashMap源码分析

构造方法

// 默认构造函数。

public

More ...HashMap() {

this

.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

// all   other fields defaulted

// 包含另一个“Map”的构造函数

public

More ...HashMap(Map<?

extends

K, ?

extends

V> m) {

this

.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

putMapEntries(m,

false

);

//下面会分析到这个方法

// 指定“容量大小”的构造函数

public

More ...HashMap(

int

initialCapacity) {

this

(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);

// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数

public

More ...HashMap(

int

initialCapacity,

float

loadFactor) {

if

(initialCapacity <

throw

new

IllegalArgumentException(

"Illegal initial capacity: "

+ initialCapacity);

if

(initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)

initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

if

(loadFactor <=

|| Float.isNaN(loadFactor))

throw

new

IllegalArgumentException(

"Illegal load factor: "

+ loadFactor);

this

.loadFactor = loadFactor;

this

.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);

putMapEntries方法：

final

void

putMapEntries(Map<?

extends

K, ?

extends

V> m,

boolean

evict) {

int

s = m.size();

if

(s >

) {

// 判断table是否已经初始化

if

(table ==

null

) {

// pre-size

// 未初始化，s为m的实际元素个数

float

ft = ((

float

)s / loadFactor) +

.0F;

int

t = ((ft < (

float

)MAXIMUM_CAPACITY) ?

int

)ft : MAXIMUM_CAPACITY);

// 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值

if

(t > threshold)

threshold = tableSizeFor(t);

// 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理

else

if

(s > threshold)

resize();

// 将m中的所有元素添加至HashMap中

for

(Map.Entry<?

extends

K, ?

extends

V> e : m.entrySet()) {

K key = e.getKey();

V value = e.getValue();

putVal(hash(key), key, value,

false

, evict);

put方法

HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。

对putVal方法添加元素的分析如下：

①如果定位到的数组位置没有元素就直接插入。
②如果定位到的数组位置有元素就和要插入的 key 比较，如果key相同就直接覆盖，如果 key 不相同，就判断 p 是否是一个树节点，如果是就调用
```
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value) 
```
将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入。

public

V put(K key, V value) {

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未初始化或者长度为0，进行扩容

if

((tab = table) ==

null

|| (n = tab.length) ==

n = (tab = resize()).length;

// (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)

if

((p = tab[i = (n -

) & hash]) ==

null

tab[i] = newNode(hash, key, value,

null

);

// 桶中已经存在元素

else

Node<K,V> e; K k;

// 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等

if

(p.hash == hash &&

((k = p.key) == key || (key !=

null

&& key.equals(k))))

// 将第一个元素赋值给e，用e来记录

e = p;

// hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点

else

if

(p

instanceof

TreeNode)

// 放入树中

e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(

this

, tab, hash, key, value);

// 为链表结点

else

// 在链表最末插入结点

for

int

binCount =

; ; ++binCount) {

// 到达链表的尾部

if

((e = p.next) ==

null

) {

// 在尾部插入新结点

p.next = newNode(hash, key, value,

null

);

// 结点数量达到阈值，转化为红黑树

if

(binCount >= TREEIFY_THRESHOLD -

// -1 for 1st

treeifyBin(tab, hash);

// 跳出循环

break

// 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等

if

(e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key !=

null

&& key.equals(k))))

// 相等，跳出循环

break

// 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表

p = e;

// 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点

if

(e !=

null

) {

// 记录e的value

V oldValue = e.value;

// onlyIfAbsent为false或者旧值为null

if

(!onlyIfAbsent || oldValue ==

null

//用新值替换旧值

e.value = value;

// 访问后回调

afterNodeAccess(e);

// 返回旧值

return

oldValue;

// 结构性修改

++modCount;

// 实际大小大于阈值则扩容

if

(++size > threshold)

resize();

// 插入后回调

afterNodeInsertion(evict);

return

null

我们再来对比一下 JDK1.7 put方法的代码

对于put方法的分析如下：

①如果定位到的数组位置没有元素就直接插入。
②如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。

public

V put(K key, V value)

if

(table == EMPTY_TABLE) {

inflateTable(threshold);

if

(key ==

null

return

putForNullKey(value);

int

hash = hash(key);

int

i = indexFor(hash, table.length);

for

(Entry<K,V> e = table[i]; e !=

null

; e = e.next) {

// 先遍历

Object k;

if

(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

V oldValue = e.value;

e.value = value;

e.recordAccess(

this

);

return

oldValue;

modCount++;

addEntry(hash, key, value, i);

// 再插入

return

null

get方法

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) >

&&

(first = tab[(n -

) & hash]) !=

null

) {

// 数组元素相等

if

(first.hash == hash &&

// always check first node

((k = first.key) == key || (key !=

null

&& key.equals(k))))

return

first;

// 桶中不止一个节点

if

((e = first.next) !=

null

) {

// 在树中get

if

(first

instanceof

TreeNode)

return

((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

// 在链表中get

do

if

(e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key !=

null

&& key.equals(k))))

return

e;

while

((e = e.next) !=

null

);

return

null

resize方法

进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免resize。

final

Node<K,V>[] resize() {

Node<K,V>[] oldTab = table;

int

oldCap = (oldTab ==

null

) ?

: oldTab.length;

int

oldThr = threshold;

int

newCap, newThr =

if

(oldCap >

) {

// 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧

if

(oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {

threshold = Integer.MAX_VALUE;

return

oldTab;

// 没超过最大值，就扩充为原来的2倍

else

if

((newCap = oldCap <<

) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)

newThr = oldThr <<

// double threshold

else

if

(oldThr >

// initial capacity was placed in threshold

newCap = oldThr;

else

signifies using defaults

newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;

newThr = (

int

)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);

// 计算新的resize上限

if

(newThr ==

) {

float

ft = (

float

)newCap * loadFactor;

newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (

float

)MAXIMUM_CAPACITY ? (

int

)ft : Integer.MAX_VALUE);

threshold = newThr;

@SuppressWarnings

({

"rawtypes"

"unchecked"

})

Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])

new

Node[newCap];

table = newTab;

if

(oldTab !=

null

) {

// 把每个bucket都移动到新的buckets中

for

int

j =

; j < oldCap; ++j) {

Node<K,V> e;

if

((e = oldTab[j]) !=

null

) {

oldTab[j] =

null

if

(e.next ==

null

newTab[e.hash & (newCap -

)] = e;

else

if

(e

instanceof

TreeNode)

((TreeNode<K,V>)e).split(

this

, newTab, j, oldCap);

else

Node<K,V> loHead =

null

, loTail =

null

Node<K,V> hiHead =

null

, hiTail =

null

Node<K,V> next;

do

next = e.next;

// 原索引

if

((e.hash & oldCap) ==

) {

if

(loTail ==

null

loHead = e;

else

loTail.next = e;

loTail = e;

// 原索引+oldCap

else

if

(hiTail ==

null

hiHead = e;

else

hiTail.next = e;

hiTail = e;

while

((e = next) !=

null

);

// 原索引放到bucket里

if

(loTail !=

null

) {

loTail.next =

null

newTab[j] = loHead;

// 原索引+oldCap放到bucket里

if

(hiTail !=

null

) {

hiTail.next =

null

newTab[j + oldCap] = hiHead;

return

newTab;

HashMap常用方法测试

package

map;

import

java.util.Collection;

import

java.util.HashMap;

import

java.util.Set;

public

class

HashMapDemo {

public

static

void

main(String[] args) {

HashMap<String, String> map =

new

HashMap<String, String>();

// 键不能重复，值可以重复

map.put(

"san"

"张三"

);

map.put(

"si"

"李四"

);

map.put(

"wu"

"王五"

);

map.put(

"wang"

"老王"

);

map.put(

"wang"

"老王2"

);

// 老王被覆盖

map.put(

"lao"

"老王"

);

System.out.println(

"-------直接输出hashmap:-------"

);

System.out.println(map);

/**

* 遍历HashMap

*/

// 1.获取Map中的所有键

System.out.println(

"-------foreach获取Map中所有的键:------"

);

Set<String> keys = map.keySet();

for

(String key : keys) {

System.out.print(key+

"  "

);

System.out.println();

//换行

// 2.获取Map中所有值

System.out.println(

"-------foreach获取Map中所有的值:------"

);

Collection<String> values = map.values();

for

(String value : values) {

System.out.print(value+

"  "

);

System.out.println();

//换行

// 3.得到key的值的同时得到key所对应的值

System.out.println(

"-------得到key的值的同时得到key所对应的值:-------"

);

Set<String> keys2 = map.keySet();

for

(String key : keys2) {

System.out.print(key +

"："

+ map.get(key)+

"   "

);

/**

* 另外一种不常用的遍历方式

*/

// 当我调用put(key,value)方法的时候，首先会把key和value封装到

// Entry这个静态内部类对象中，把Entry对象再添加到数组中，所以我们想获取

// map中的所有键值对，我们只要获取数组中的所有Entry对象，接下来

// 调用Entry对象中的getKey()和getValue()方法就能获取键值对了

Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();

for

(java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {

System.out.println(entry.getKey() +

"--"

+ entry.getValue());

/**

* HashMap其他常用方法

*/

System.out.println(

"after map.size()："

+map.size());

System.out.println(

"after map.isEmpty()："

+map.isEmpty());

System.out.println(map.remove(

"san"

));

System.out.println(

"after map.remove()："

+map);

System.out.println(

"after map.get(si)："

+map.get(

"si"

));

System.out.println(

"after map.containsKey(si)："

+map.containsKey(

"si"

));

System.out.println(

"after containsValue(李四)："

+map.containsValue(

"李四"

));

System.out.println(map.replace(

"si"

"李四2"

));

System.out.println(

"after map.replace(si, 李四2):"

+map);

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