HashMap原理分析(一)

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HashMap的底层原理(一)

组成结构

数据 + 链表的形式+红黑树

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

其他参数

负载因子

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/**
  * The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

链表最大长度：

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static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

链表转换为红黑树的重要参数

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// 链表长度 > 8 并且数组长度小于64那么进行扩容，否则转为红黑树
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

链表长度的界限

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static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

使用

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// 定义HashMap，初始大小可不写
HashMap<String, String> map = new HashMap<>(5);
// 存放值
map.put("test","name2");
// 取值
String test = map.get("test");

原理解析

简括流程

  • 计算key的hash,高16位于低16位进行异或运算

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    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

  • 判断数组是否为空，为空时初始化。采用初次扩容。初始化的数组大小为16，扩容界限为16x0.75=12

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    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;

  • 使用hash&(n-1)获取key存放的下标位置，初始化Node，存放进Node [i]

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    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

  • key的hash值与初始化的第一个Node的hash一致，并且key的值也一致，直接覆盖

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    Node<K,V> e; K k;
    if (p.hash == hash &&
        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
        e = p;

  • 如果是红黑树，直接存放进红黑树内

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    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

  • 遍历Node链表，直到next == null，创建新的Node节点赋值给next。如果链表大小大于8个，则进行扩容或转红黑树操作

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    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;
    }

  • 判断map大小是否大于扩容大小，是的话进行扩容

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    // size:hashMao大小
    // threshold：threshold = newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    if (++size > threshold)
        resize();

  • 覆盖旧值操作

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    if (e != null) { // existing mapping for key
        V oldValue = e.value;
        if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
            e.value = value;
        afterNodeAccess(e);
        return oldValue;
    }

详细代码

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// 扩容操作 
final Node<K,V>[] resize() {
     // 数组
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 旧数组的大小
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    // 扩容界限
    int oldThr = threshold;
    // 扩容后的大小，扩容后的界限
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 成倍的扩容,16 = 010000 << 1 --> 100000 = 32
        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
        // 初始化时的扩容操作
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    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;
    // 扩容后的数据迁移
    if (oldTab != null) {
        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
                    // 扩容数据的低位链表,低位不变
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    // 扩容数据的高位链表，高位迁移
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        /**
                        * oldCap 16: 10000
                        * 假设e.hash = 9
                        * 第一次存放的位置:01001 & 01111 = 01001 = 9
                        * 为了保证扩容后用同样的操作取下标结果不会改变，也就是通过(n - 1) & hash还会取到e
                        * 扩容后：newCap = 32 = 100000
                        * 001001 & 011111 = 01001 = 9
                        * 所以对e这个数据不改变下标位置
                        * 01001 &
                        * 10000 = 0
                        **/
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                         /**
                        * oldCap 16: 10000
                        * 假设e.hash = 20
                        * 第一次存放的位置:10100 & 01111 = 00100 = 4
                        * 为了保证扩容后用同样的操作取下标结果不会改变，也就是通过(n - 1) & hash还会取到e
                        * 扩容后：newCap = 32 = 100000
                        * 010100 & 011111 = 010100 = 20
                        * 所以对e这个数据要改变下标位置为20
                        * 10100 &
                        * 10000 = 10000 != 0
                        * 所以要对该数据进行迁移，迁移坐标为：4 + 16(扩容的大小) = 20
                        **/
                        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;
 }