深入JDK源碼之HashMap類
基于哈希表的 Map 接口的實現。此實現提供所有可選的映射操作，并允許使用 null 值和 null 鍵。（除了非同步和允許使用 null 之外，HashMap 類與 Hashtable 大致相同。）此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恒久不變。
此實現假定哈希函數將元素適當地分布在各桶之間，可為基本操作（get 和 put）提供穩定的性能。迭代 collection 視圖所需的時間與 HashMap 實例的“容量”（桶的數量）及其大小（鍵-值映射關系數）成比例。所以，如果迭代性能很重要，則不要將初始容量設置得太高（或將加載因子設置得太低）。
HashMap的實例有兩個參數影響其性能：初始容量和加載因子。容量是哈希表中桶的數量，初始容量只是哈希表在創建時的容量。加載因子是哈希表在其容量自動增加之前可以達到多滿的一種尺度。當哈希表中的條目數超出了加載因子與當前容量的乘積時，則要對該哈希表進行 rehash 操作（即重建內部數據結構），從而哈希表將具有大約兩倍的桶數。
通常，默認加載因子 (0.75)在時間和空間成本上尋求一種折衷。加載因子過高雖然減少了空間開銷，但同時也增加了查詢成本（在大多數 HashMap 類的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了這一點）。在設置初始容量時應該考慮到映射中所需的條目數及其加載因子，以便最大限度地減少 rehash 操作次數。如果初始容量大于最大條目數除以加載因子，則不會發生 rehash 操作。
如果很多映射關系要存儲在 HashMap 實例中，則相對于按需執行自動的 rehash 操作以增大表的容量來說，使用足夠大的初始容量創建它將使得映射關系能更有效地存儲。
HashMap的數據結構
HashMap用了一個名字為table的Entry類型數組；數組中的每一項又是一個Entry鏈表。
// 默認的初始化大小
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
// 最大的容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 負載因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 儲存key-value鍵值對的數組，一個鍵值對對象映射一個Entry對象
transient Entry[] table;
// 鍵值對的數目
transient int size;
// 調整HashMap大小門檻，該變量包含了HashMap能容納的key-value對的極限，它的值等于HashMap的容量乘以負載因子
int threshold;
// 加載因子
final float loadFactor;
// HashMap結構修改次數,防止在遍歷時，有其他的線程在進行修改
transient volatile int modCount;
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);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
// 使得capacity 的大小為2的冪，至于為什么，請看下面
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int) (capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
} 下面是用于包裝key-value映射關系的Entry，它是HashMap的靜態內部類：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
} HashMap的put和get及remove方法
// 根據key獲取value
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
//根據key的hashCode值計算它的hash碼
int hash = hash(key.hashCode());
//直接取出table數組中指定索引處的值
for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
//搜索該Entry鏈的下一個Entry
e = e.next) {
Object k;
//如果該Entry的key與被搜索key相同
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}
private V getForNullKey() {
//key為null，hash碼為0，也就是說key為null的Entry位于table[0]的Entry鏈上
for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//根據key的hashCode值計算它的hash碼
int hash = hash(key.hashCode());
//搜索指定hash值對應table中的索引值
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果找到指定key與需要放入的key相等（hash值相同，通過equals比較返回true）
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
//新的值覆蓋舊值
e.value = value;
//這個方法是個空方法，可能是表示個標記，字面意思是表示記錄訪問
e.recordAccess(this);
//返回舊值
return oldValue;
}
}
modCount++;
//如果i處索引處的Entry為null，表示此處還沒有Entry
//將key、value添加到i索引處
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
//key=null的鍵值對,默認存放table[0]的Entry鏈
private V putForNullKey(V value) {
for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(0, null, value, 0);
return null;
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
//根據鍵值移除key-value映射對象
public V remove(Object key) {
Entry<K, V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K, V> removeEntryForKey(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K, V> prev = table[i];
Entry<K, V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K, V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash
&& ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
//空方法，表示移除記錄
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
} HashMap的hash算法和size大小調整
static int hash(int h) {//這里不是很懂，得向他人請教
// 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 >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
/**
* Returns index for hash code h.
*/
// 根據hash碼求的數組小標并返回，當length為2的冪時，h & (length-1)等價于h%(length-1)，這里也就是為什么前面說table的長度必須是2的冪
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length - 1);
}
// 調整大小
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int) (newCapacity * loadFactor);
}
/**
* Transfers all entries from current table to newTable.
*/
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K, V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
//注意這里哈，HashMap不保證順序恒久不變
//在這里可以找到答案
Entry<K, V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
} HashMap與Set的關系
Set代表一種集合元素無序、集合元素不可重復的集合。如果只考察HashMap中的key，不難發現集合中的key有一個特征：所有的key不能 重復，key之間無序。具備了Set的特征，所有的key集合起來組成一個Set集合。同理所有的Entry集合起來，也是一個Set集合。而value 是可以重復的，不能組成一個Set集合，在HashMap源代碼中提供了values()方法把value集合起來組成Collection集合。
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K, V> next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot
Entry<K, V> current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry<K, V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K, V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
}
private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
public V next() {
return nextEntry().value;
}
}
private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
public K next() {
return nextEntry().getKey();
}
}
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K, V>> {
public Map.Entry<K, V> next() {
return nextEntry();
}
}
Iterator<K> newKeyIterator() {
return new KeyIterator();
}
Iterator<V> newValueIterator() {
return new ValueIterator();
}
Iterator<Map.Entry<K, V>> newEntryIterator() {
return new EntryIterator();
}
// Views
private transient Set<Map.Entry<K, V>> entrySet = null;
//把所有的key集合成Set集合
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
}
private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public Iterator<K> iterator() {
return newKeyIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsKey(o);
}
public boolean remove(Object o) {
return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
//把所有的values集合成Collection集合
public Collection<V> values() {
Collection<V> vs = values;
return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
}
private final class Values extends AbstractCollection<V> {
public Iterator<V> iterator() {
return newValueIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsValue(o);
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
//把所有的Entry對象集合成Set集合
public Set<Map.Entry<K, V>> entrySet() {
return entrySet0();
}
private Set<Map.Entry<K, V>> entrySet0() {
Set<Map.Entry<K, V>> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K, V>> {
public Iterator<Map.Entry<K, V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
public boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<K, V> e = (Map.Entry<K, V>) o;
Entry<K, V> candidate = getEntry(e.getKey());
return candidate != null && candidate.equals(e);
}
public boolean remove(Object o) {
return removeMapping(o) != null;
}
public int size() {
return size;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
} Fail-Fast策略（速錯）
HashMap不是線程安全的，因此如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改了map，那么將拋 ConcurrentModificationException，這就是所謂fail-fast策略（速錯），這一策略在源碼中的實現是通過 modCount域，modCount顧名思義就是修改次數，對HashMap內容的修改都將增加這個值，那么在迭代器初始化過程中會將這個值賦給迭代器 的expectedModCount。在迭代過程中，判斷modCount跟expectedModCount是否相等，如果不相等就表示已經有其他線程 修改了。
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K, V> next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot
Entry<K, V> current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry<K, V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K, V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
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