HashMap 中的容量与扩容实现，细致入微，值的一品！

前言

　　开心一刻　　

　　　　巴闭，你的脚怎么会有味道，我要闻闻看是不是好吃的，嗯~~爸比你的脚臭死啦！！ ……

/**
* 数组
*/
transient Node<K,V>[] table;

/**
* 链表结构
*/
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;
}

public final K getKey()        { return key; }
public final V getValue()      { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }

public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}

public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}

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;
}
}

/**
* 红黑树结构
*/
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
boolean red;
...

View Code

/**
* 构造方法 1
*
* 通过 指定的 initialCapacity 和 loadFactor 实例化一个空的 HashMap 对象
*/
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);
}

/**
* 构造方法 2
*
* 通过指定的 initialCapacity 和 默认的 loadFactor(0.75) 实例化一个空的 HashMap 对象
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

/**
* 构造方法 3
*
* 通过默认的 initialCapacity 和 默认的 loadFactor(0.75) 实例化一个空的 HashMap 对象
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

/**
*
* 构造方法 4
* 通过指定的 Map 对象实例化一个 HashMap 对象
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}

View Code 　　　　构造方式 4 和 构造方式 1 实际应用的不多，构造方式 2 直接调用的 1（底层实现完全一致），构造方式 2 和 构造方式 3 比较常用，而最常用的是构造方式 3；此时我们以构造方式 3 为前提来分析，而构造方式 2 我们则在问题 5 中来分析

　　　　 使用方式 1 实例化 HashMap 的时候，table 并未进行初始化，那 table 是何时进行初始化的了 ？ 平时我们是如何使用 HashMap 的，先实例化、然后 put、然后进行其他操作，如下

Map<String,Object> map = new HashMap();
map.put("name", "张三");
map.put("age", 21);

// 后续操作
...

　　　　既然实例化的时候未进行 table 的初始化，那是不是在 put 的时候初始化的了，我们来确认下

/**
* Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 第一次 put 的时候，table = null
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = 0
int oldThr = threshold;                        // threshold=0, oldThr = 0
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {    // 条件不满足，往下走
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else {               // zero initial threshold signifies using defaults 走到这里，进行默认初始化
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 = 16, newCap = 16;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);    // newThr = 0.75 * 16 = 12;
}
if (newThr == 0) {    // 条件不满足
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;        // threshold = 12; 重置阀值为12
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];     // 初始化 newTab, length = 16;
table = newTab;            // table 初始化完成, length = 16;
if (oldTab != null) {    // 此时条件不满足，后续扩容的时候，走此if分支 将数组元素复制到新数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;    // 新数组
}

View Code  　　　　自此，问题 1 的答案就明了了

table 的初始化时机是什么时候
一般情况下，在第一次 put 的时候，调用 resize 方法进行 table 的初始化

初始化的 table.length 是多少、阀值（threshold）是多少，实际能容下多少元素
默认情况下，table.length = 16; 指定了 initialCapacity 的情况放到问题 5 中分析
默认情况下，threshold = 12; 指定了 initialCapacity 的情况放到问题 5 中分析
默认情况下，能存放 12 个元素，当存放第 12 个元素后进行扩容

　　问题 2 ：table 的扩容

　　　　 putVal 源码如下

/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
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;
if (++size > threshold)             // 当size（已存放元素个数） > thrshold（阀值），进行扩容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

View Code

　　　　还是调用 resize() 进行扩容，但与初始化时不同（注意看注释）

/**
* Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
* accord with initial capacity target held in field threshold.
* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
* elements from each bin must either stay at same index, or move
* with a power of two offset in the new table.
*
* @return the table
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 此时的 table != null，oldTab 指向旧的 table
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = table.length; 第一次扩容时是 16
int oldThr = threshold;                        // threshold=12, oldThr = 12;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {    // 条件满足，走此分支
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&    // oldCap左移一位; newCap = 16 << 1 = 32;
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold            // newThr = 12 << 1 = 24;
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else {               // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 = 16, newCap = 16;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {    // 条件不满足
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;        // threshold = newThr = 24; 重置阀值为 24
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];     // 初始化 newTab, length = 32;
table = newTab;            // table 指向 newTab, length = 32;
if (oldTab != null) {    // 扩容后，将 oldTab(旧table) 中的元素移到 newTab（新table）中
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;        //
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}

View Code

　　　　自此，问题 2 的答案也就清晰了

什么时候触发扩容，扩容之后的 table.length、阀值各是多少
当 size > threshold 的时候进行扩容
扩容之后的 table.length = 旧 table.length * 2,
扩容之后的 threshold = 旧 threshold * 2

　　问题 3、4 ：2 的 n 次幂

　　　　table 是一个数组，那么如何最快的将元素 e 放入数组 ？ 当然是找到元素 e 在 table 中对应的位置 index ，然后 table[index] = e; 就好了；如何找到 e 在 table 中的位置了 ？ 我们知道只能通过数组下标（索引）操作数组，而数组的下标类型又是  int ，如果 e 是 int 类型，那好说，就直接用 e 来做数组下标（若 e > table.length，则可以 e % table.length 来获取下标），可  key - value 中的 key 类型不一定，所以我们需要一种统一的方式将 key 转换成  int ，最好是一个  key 对应一个唯一的 int (目前还不可能, int有范围限制，对转换方法要求也极高)，所以引入了 hash 方法

static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);　　// 这里的处理，有兴趣的可以琢磨下；能够减少碰撞
}

　　　　实现 key 到 int 的转换（关于 hash，本文不展开讨论）。拿到了 key 对应的 int h 之后，我们最容易想到的对 value 的  put 和 get 操作也许如下

// put
table[h % table.length] = value;

// get
e = table[h % table.length];

　　　　直接取模是我们最容易想到的获取下标的方法，但是最高效的方法吗 ？

　　　　我们知道计算机中的四则运算最终都会转换成二进制的位运算

/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
* 返回 >= cap 最小的 2^n
* cap = 10, 则返回 2^4 = 16;
* cap = 5, 则返回 2^3 = 8;
*/
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;
}

View Code 　　　　虽然此处初始化的是 threshold，但后面初始化 table 的时候，会将其用于 table 的 length，同时会重置 threshold 为 table.length * loadFactor 

　　　　自此，问题 5 也就清楚了

Map map = new HashMap(1000); 当我们存入多少个元素时会触发map的扩容
此时的 table.length = 2^10 = 1024; threshold = 1024 * 0.75 = 768; 所以存入第 769 个元素时进行扩容

Map map1 = new HashMap(10000); 我们存入第 10001个元素时会触发 map1 扩容吗
此时的 table.length = 2^14 = 16384; threshold = 16384 * 0.75 = 12288; 所以存入第 10001 个元素时不会进行扩容

　　问题6：加载因子

为什么加载因子的默认值是 0.75，并且不推荐我们修改
如果loadFactor太小，那么map中的table需要不断的扩容，扩容是个耗时的过程
如果loadFactor太大，那么map中table放满了也不不会扩容，导致冲突越来越多，解决冲突而起的链表越来越长，效率越来越低
而 0.75 这是一个折中的值，是一个比较理想的值

总结

　　1、table.length = 2^n，是为了能利用位运算（&）来求 key 的下标，而 h&(length-1) 是为了充分利用 table 的空间，并减少 key 的碰撞

　　2、加载因子太小， table 需要不断的扩容，影响 put 效率；太大会导致碰撞越来越多，链表越来越长（转红黑树），影响效率；0.75 是一个比较理想的中间值

　　3、table.length = 2^n、hash 方法获取 key 的 h、加载因子 0.75、数组 + 链表（或红黑树），一环扣一环，保证了 key 在 table 中的均匀分配，充分利用了空间，也保证了操作效率

　　　　环环相扣的，而不是心血来潮的随意处理；缺了一环，其他的环就无意义了！

　　4、网上有个 put 方法的流程图画的挺好，我就偷懒了

参考

　　 java提高篇（二三）-----HashMap
　　【原创】HashMap复习精讲
　　面试官："准备用HashMap存1w条数据，构造时传10000还会触发扩容吗？"