HashMap源碼解析

tourers 9年前發布 | 8K 次閱讀鏈表紅黑樹 Java開發

在 Java8 之前， HashMap 是鏈表散列的數據結構，即數組和鏈表的結合體；從 Java8 開始，引入紅黑樹的數據結構和擴容的優化。

分析版本： JDK1.8

Node

從 Java8 引入紅黑樹之后， HashMap 是由數組、鏈表和紅黑樹組成，發現源碼有些地方與之前不同，那就是 Node ：

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

    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;
        }
    }
}

Node ,也就是以前的 Entry ，內容沒變，只是換了一種叫法。

put(K key, V value)

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

    transient Node<K,V>[] table;

    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;
        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)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

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

    Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        return new Node<>(hash, key, value, next);
    }

    static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        ....
    }

    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        ....
    }

    void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
    void afterNodeInsertion(boolean evict) { }

}

HashMap 使用哈希表來存儲。哈希表為解決沖突，可以采用開放地址法和鏈地址法等來解決問題，Java 中 HashMap 采用了鏈地址法。鏈地址法，就是數組加鏈表的結合。在每個數組元素上都一個鏈表結構，當數據被Hash后，得到數組下標，把數據放在對應下標元素的鏈表上。

當我們往 HashMap 中 put 元素的時候，先根據 key 的 hashCode 重新計算 hash 值，根據 hash 值再通過高位運算和取模運算得到這個元素在數組中的位置（即下標），如果數組該位置上已經存放有其他元素了，那么在這個位置上的元素將以鏈表的形式存放，新加入的放在鏈頭，最先加入的放在鏈尾，如果該鏈表超出 8 個的話，就轉換成紅黑樹。如果數組該位置上沒有元素，就直接將該元素放到此數組中的該位置上。

hash(Object key)

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

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//取模運算
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
        ....
    }

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);//取hashCode值和高位參與運算
    }

}

定位位置的方法通過以上三個步驟得到，取 key 的 hashCode 的值，然后進行無符號右移 16 位，再與現有哈希桶數組的大小取模。通過 (n - 1) & hash 來得到該對象的保存位求得這個位置的時候，馬上就可以知道對應位置的元素，不用遍歷鏈表，大大優化了查詢的效率。

當 length 總是 2 的 n 次方時，(length - 1) & hash 運算等價于對 length 取模，也就是h % length，但是 & 比 % 具有更高的效率。

注意，在 Java8 之前的算法是這樣的：

static int hash(int h) {  
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);  
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  
}

static int indexFor(int hash, int length) {
     return hash & (length-1);
}

Java8 優化了高位運算的算法，通過 hashCode() 的高 16 位異或低 16 位實現的：(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是從速度、功效、質量來考慮的，這么做可以在數組 table 的 length 比較小的時候，也能保證考慮到高低 Bit 都參與到 Hash 的計算中，同時不會有太大的開銷。

putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)

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

    transient Node<K,V>[] table;

    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)//如果為null或者大小為0則創建
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//計算index
            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))))//如果有key，那么直接覆蓋value
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//是否是紅黑樹
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {//為鏈表
                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);//鏈表長度大于8轉換為紅黑樹進行處理
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;//key已經存在直接覆蓋value
                }
            }
            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)
            resize();//擴容
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }
}

當 table 數組為 null 或者大小為 0 的時候進行擴容。
第二步，計算出該 key 的索引 index 。
找到 table 數組中該位置，判斷該位置上是否有值：
1. 如果有，判斷 key 的 hashCode() 和 equals() 是否相等，相等的話覆蓋，不相等的話再判斷是否是紅黑樹還是鏈表。
2. 如果沒有，判斷是不是紅黑樹：
  1. 是，就插入到紅黑樹中；
  2. 不是話，遍歷鏈表，如果大小大于8，轉換成紅黑樹，插入到紅黑樹中，不大于8的話就插入到鏈表，如果在遍歷的是否發現hashCode() 和 equals() 相等。
插入成功后，判斷 table 數組大小是否超過了最大容量，是的話擴容

resize()

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

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;//舊的數組
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//舊的數組大小
        int oldThr = threshold;//舊的最大容量
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//擴容前的舊的數組大小如果已經達到最大(2^30)
                threshold = Integer.MAX_VALUE;////修改最大容量為int的最大值(2^31-1)，這樣以后就不會擴容了
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)//擴容后的小于數組大小最大值
                newThr = oldThr << 1; // double threshold 在舊值上乘以2
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;//舊的最大容量就是新的數組容量
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//0.75*16
        }
        if (newThr == 0) {//計算新的最容量
            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;//新的table數組
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//將舊的移動到新的里面去
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)//沒有重合的，就只有這一個值
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//給e找位置
                    else if (e instanceof TreeNode)//如果是紅黑樹
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order 處理鏈表
                        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) {//原來的索引
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {//原來的索引+oldCap
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {//原索引放到新table數組里
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {//原索引+oldCap放到新table數組里
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }
}

來自：http://yydcdut.com/2016/12/06/hashmap-analyse/

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鏈表紅黑樹 Java開發

HashMap源碼解析

Node

put(K key, V value)

hash(Object key)

putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)

resize()

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