集合框架源码学习之HashMap(JDK1.8)

目录：

0-1. 简介

0-2. 内部结构分析

0-2-1. JDK18之前

0-2-2. JDK18之后

0-3. LinkedList源码分析

0-3-1. 构造方法

0-3-2. put方法

0-3-3. get方法

0-3-4. resize方法

0-4. HashMap常用方法测试

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。与HashTable主要区别为不支持同步和允许null作为key和value，所以如果你想要保证线程安全，可以使用ConcurrentHashMap代替而不是线程安全的HashTable，因为HashTable基本已经被淘汰。

内部结构分析

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来计算hash值，当hashCode相同时，通过“拉链法”解决冲突。

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。

简单来说，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，如果定位到的数组位置不含链表（当前entry的next指向null）,那么对于查找，添加等操作很快，仅需一次寻址即可；如果定位到的数组包含链表，对于添加操作，其时间复杂度依然为O(1)，因为最新的Entry会插入链表头部，急需要简单改变引用链即可，而对于查找操作来讲，此时就需要遍历链表，然后通过key对象的equals方法逐一比对查找.

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 = 1 << 4; 
 // 最大容量
 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
 // 默认的填充因子
 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 // 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 = 8; 
 // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
 // 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 = 64;
 // 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;
}

(1)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。

(2)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:

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;
 }

LinkedList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 < 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);
 }

putMapEntries方法：

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
 int s = m.size();
 if (s > 0) {
 // 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) + 1.0F;
 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。

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) == 0)
 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 - 1) & 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 = 0; ; ++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) // -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;
} 

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) > 0 &&
 (first = tab[(n - 1) & 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) ? 0 : oldTab.length;
 int oldThr = threshold;
 int newCap, newThr = 0;
 if (oldCap > 0) {
 // 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 << 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 { 
 signifies using defaults
 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
 }
 // 计算新的resize上限
 if (newThr == 0) {
 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 = 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 { 
 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) == 0) {
 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);
 }
}