从代码层读懂HashMap的实现原理

whiteladybug 发布于4月前 阅读3337次
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概述

 Hashmap继承于AbstractMap,实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。它的key、value都可以为null,映射不是有序的。      
Hashmap不是同步的,如果想要线程安全的HashMap,可以通过Collections类的静态方法synchronizedMap获得线程安全的HashMap。

Map map = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

HashMap 中两个重要的参数:“初始容量” 和 “加载因子”。
容量: 是哈希表中桶的数量,初始容量 只是哈希表在创建时的容量
加载因子: 是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度(默认0.75)。 
当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时,则要对该哈希表进行 rehash 操作(即重建内部数据结构,桶数X2)。
加载因子越大,填满的元素越多,好处是,空间利用率高了,但:冲突的机会加大了.反之,加载因子越小,填满的元素越少, 好处是:冲突的机会减小了,但:空间浪费多了.

HashMap数据结构

Hashmap本质是数组加链表。通过key的hashCode来计算hash值的,只要hashCode相同,计算出来的hash值就一样,然后再计算出数组下标,如果多个key对应到同一个下标,就用链表串起来,新插入的在前面。

这里写图片描述

先来看看HashMap中Entry类的代码:

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    // 指向下一个节点
    Entry<K,V> next;
    final int hash;
    // 构造函数。
    // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"
    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;
    }
    // 判断两个Entry是否相等
    // 若两个Entry的“key”和“value”都相等,则返回true。
    // 否则,返回false
    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;
    }
    // 实现hashCode()
    public final int hashCode() {
        return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^
               (value==null ? 0 : value.hashCode());
    }
    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }
    // 当向HashMap中添加元素时,绘调用recordAccess()。
    // 这里不做任何处理
    void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
    }
    // 当从HashMap中删除元素时,绘调用recordRemoval()。
    // 这里不做任何处理
    void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
    }
}

可以看出HashMap就是一个Entry数组,Entry对象中包含了键和值两个属性。

HashMap源码分析

HashMap共有4个构造函数,如下:

  • HashMap() 构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
  • HashMap(int initialCapacity) 构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
  • HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 构造一个带指定初始容量和加载因子的空
    HashMap。
  • HashMap(Map<  extends K, extends V> m) 构造一个映射关系与指定 Map 相同的新 HashMap。

HashMap提供的API方法:

  • void clear() 从此映射中移除所有映射关系。
  • Object clone() 返回此 HashMap 实例的浅表副本:并不复制键和值本身。
  • boolean containsKey(Object key) 如果此映射包含对于指定键的映射关系,则返回 true。
  • boolean containsValue(Object value) 如果此映射将一个或多个键映射到指定值,则返回 true。
  • Set entrySet() 返回此映射所包含的映射关系的 Set<Map.Entry> 视图。
  • V get(Object key) 返回指定键所映射的值;如果对于该键来说,此映射不包含任何映射关系,则返回 null。
  • boolean isEmpty() 如果此映射不包含键-值映射关系,则返回 true。
  • Set keySet() 返回此映射中所包含的键的 Set<K> 视图。
  • V put(K key, V value) 在此映射中关联指定值与指定键。
  • void  putAll(Map< extends K, extends V> m)
    将指定映射的所有映射关系复制到此映射中,这些映射关系将替换此映射目前针对指定映射中所有键的所有映射关系。
  • V remove(Object key) 从此映射中移除指定键的映射关系(如果存在)。
  • int  size() 返回此映射中的键-值映射关系数。
  • Collection values() 返回此映射所包含的值的 Collection 视图。

HashMap源码:

package java.util;
import java.io.*;
public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
{
    // 默认的初始容量(容量为HashMap中桶的数目)是16,且实际容量必须是2的整数次幂。 
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    // 最大容量(必须是2的幂且小于2的30次方,传入容量过大将被这个值替换)
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    // 默认加载因子
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    // 存储数据的Entry数组,长度是2的幂。
    // HashMap是采用拉链法实现的,每一个Entry本质上是一个单向链表
    transient Entry[] table;

    // HashMap的大小,它是HashMap保存的键值对的数量
    transient int size;

    // HashMap的阈值,用于判断是否需要调整HashMap的容量(threshold = 容量*加载因子)
    int threshold;

    // 加载因子实际大小
    final float loadFactor;

    // HashMap被改变的次数
    transient volatile int modCount;

    // 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        // HashMap的最大容量只能是MAXIMUM_CAPACITY
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        // 找出“大于initialCapacity”的最小的2的幂
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;
        // 设置“加载因子”
        this.loadFactor = loadFactor;
        // 设置“HashMap阈值”,当HashMap中存储数据的数量达到threshold时,就需要将HashMap的容量加倍。
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        // 创建Entry数组,用来保存数据
        table = new Entry[capacity];
        init();
    }

    // 指定“容量大小”的构造函数
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    // 默认构造函数。
    public HashMap() {
        // 设置“加载因子”
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        // 设置“HashMap阈值”,当HashMap中存储数据的数量达到threshold时,就需要将HashMap的容量加倍。
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        // 创建Entry数组,用来保存数据
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

    // 包含“子Map”的构造函数
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        // 将m中的全部元素逐个添加到HashMap中
        putAllForCreate(m);
    }

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

    // 返回索引值
    // h & (length-1)保证返回值的小于length
    static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    // 获取key对应的value
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        // 获取key的hash值
        int hash = hash(key.hashCode());
        // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

    // 获取“key为null”的元素的值
    // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置!
    private V getForNullKey() {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

    // HashMap是否包含key
    public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
    }

    // 返回“键为key”的键值对
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        // 获取哈希值
        // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,“key不为null”的则调用hash()计算哈希值
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

    // 将“key-value”添加到HashMap中
    public V put(K key, V value) {
        // 若“key为null”,则将该键值对添加到table[0]中。
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        // 若“key不为null”,则计算该key的哈希值,然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            // 若“该key”对应的键值对已经存在,则用新的value取代旧的value。然后退出!
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        // 若“该key”对应的键值对不存在,则将“key-value”添加到table中
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

    // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置
    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;
            }
        }
        // 这里的完全不会被执行到!
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

    // 创建HashMap对应的“添加方法”,
    // 它和put()不同。putForCreate()是内部方法,它被构造函数等调用,用来创建HashMap
    // 而put()是对外提供的往HashMap中添加元素的方法。
    private void putForCreate(K key, V value) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        // 若该HashMap表中存在“键值等于key”的元素,则替换该元素的value值
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                e.value = value;
                return;
            }
        }
        // 若该HashMap表中不存在“键值等于key”的元素,则将该key-value添加到HashMap中
        createEntry(hash, key, value, i);
    }

    // 将“m”中的全部元素都添加到HashMap中。
    // 该方法被内部的构造HashMap的方法所调用。
    private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        // 利用迭代器将元素逐个添加到HashMap中
        for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
            Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
            putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
        }
    }

    // 重新调整HashMap的大小,newCapacity是调整后的单位
    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        // 新建一个HashMap,将“旧HashMap”的全部元素添加到“新HashMap”中,
        // 然后,将“新HashMap”赋值给“旧HashMap”。
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

    // 将HashMap中的全部元素都添加到newTable中
    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 {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

    // 将"m"的全部元素都添加到HashMap中
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        // 有效性判断
        int numKeysToBeAdded = m.size();
        if (numKeysToBeAdded == 0)
            return;
        // 计算容量是否足够,
        // 若“当前实际容量 < 需要的容量”,则将容量x2。
        if (numKeysToBeAdded > threshold) {
            int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
            if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
                targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
            int newCapacity = table.length;
            while (newCapacity < targetCapacity)
                newCapacity <<= 1;
            if (newCapacity > table.length)
                resize(newCapacity);
        }
        // 通过迭代器,将“m”中的元素逐个添加到HashMap中。
        for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
            Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
            put(e.getKey(), e.getValue());
        }
    }

    // 删除“键为key”元素
    public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
    }

    // 删除“键为key”的元素
    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        // 获取哈希值。若key为null,则哈希值为0;否则调用hash()进行计算
        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;
        // 删除链表中“键为key”的元素
        // 本质是“删除单向链表中的节点”
        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;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }
        return e;
    }

    // 删除“键值对”
    final Entry<K,V> removeMapping(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return null;
        Map.Entry<K,V> entry = (Map.Entry<K,V>) o;
        Object key = entry.getKey();
        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;
        // 删除链表中的“键值对e”
        // 本质是“删除单向链表中的节点”
        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (e.hash == hash && e.equals(entry)) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }
        return e;
    }

    // 清空HashMap,将所有的元素设为null
    public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
    }

    // 是否包含“值为value”的元素
    public boolean containsValue(Object value) {
    // 若“value为null”,则调用containsNullValue()查找
    if (value == null)
            return containsNullValue();
    // 若“value不为null”,则查找HashMap中是否有值为value的节点。
    Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
    return false;
    }

    // 是否包含null值
    private boolean containsNullValue() {
    Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (e.value == null)
                    return true;
    return false;
    }

    // 克隆一个HashMap,并返回Object对象
    public Object clone() {
        HashMap<K,V> result = null;
        try {
            result = (HashMap<K,V>)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // assert false;
        }
        result.table = new Entry[table.length];
        result.entrySet = null;
        result.modCount = 0;
        result.size = 0;
        result.init();
        // 调用putAllForCreate()将全部元素添加到HashMap中
        result.putAllForCreate(this);
        return result;
    }

    // Entry是单向链表。
    // 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。
    // 它实现了Map.Entry 接口,即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数
    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        // 指向下一个节点
        Entry<K,V> next;
        final int hash;
        // 构造函数。
        // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"
        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;
        }
        // 判断两个Entry是否相等
        // 若两个Entry的“key”和“value”都相等,则返回true。
        // 否则,返回false
        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;
        }
        // 实现hashCode()
        public final int hashCode() {
            return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^
                   (value==null ? 0 : value.hashCode());
        }
        public final String toString() {
            return getKey() + "=" + getValue();
        }
        // 当向HashMap中添加元素时,绘调用recordAccess()。
        // 这里不做任何处理
        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
        }
        // 当从HashMap中删除元素时,绘调用recordRemoval()。
        // 这里不做任何处理
        void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
        }
    }

    // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置,bucketIndex是位置索引。
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,
        // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”,则调整HashMap的大小
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

    // 创建Entry。将“key-value”插入指定位置,bucketIndex是位置索引。
    // 它和addEntry的区别是:
    // (01) addEntry()一般用在 新增Entry可能导致“HashMap的实际容量”超过“阈值”的情况下。
    // 例如,我们新建一个HashMap,然后不断通过put()向HashMap中添加元素;
    // put()是通过addEntry()新增Entry的。
    // 在这种情况下,我们不知道何时“HashMap的实际容量”会超过“阈值”;
    // 因此,需要调用addEntry()
    // (02) createEntry() 一般用在 新增Entry不会导致“HashMap的实际容量”超过“阈值”的情况下。
    // 例如,我们调用HashMap“带有Map”的构造函数,它绘将Map的全部元素添加到HashMap中;
    // 但在添加之前,我们已经计算好“HashMap的容量和阈值”。也就是,可以确定“即使将Map中
    // 的全部元素添加到HashMap中,都不会超过HashMap的阈值”。
    // 此时,调用createEntry()即可。
    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,
        // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

    // HashIterator是HashMap迭代器的抽象出来的父类,实现了公共了函数。
    // 它包含“key迭代器(KeyIterator)”、“Value迭代器(ValueIterator)”和“Entry迭代器(EntryIterator)”3个子类。
    private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        // 下一个元素
        Entry<K,V> next;
        // expectedModCount用于实现fast-fail机制。
        int expectedModCount;
        // 当前索引
        int index;
        // 当前元素
        Entry<K,V> current;
        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            if (size > 0) { // advance to first entry
                Entry[] t = table;
                // 将next指向table中第一个不为null的元素。
                // 这里利用了index的初始值为0,从0开始依次向后遍历,直到找到不为null的元素就退出循环。
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)

            }
        }
        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }
        // 获取下一个元素
        final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Entry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            // 注意!!!
            // 一个Entry就是一个单向链表
            // 若该Entry的下一个节点不为空,就将next指向下一个节点;
            // 否则,将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
            if ((next = e.next) == null) {
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)

            }
            current = e;
            return e;
        }
        // 删除当前元素
        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;
        }
    }
    // value的迭代器
    private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
        public V next() {
            return nextEntry().value;
        }
    }
    // key的迭代器
    private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
        public K next() {
            return nextEntry().getKey();
        }
    }
    // Entry的迭代器
    private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
        public Map.Entry<K,V> next() {
            return nextEntry();
        }
    }
    // 返回一个“key迭代器”
    Iterator<K> newKeyIterator()   {
        return new KeyIterator();
    }
    // 返回一个“value迭代器”
    Iterator<V> newValueIterator()   {
        return new ValueIterator();
    }
    // 返回一个“entry迭代器”
    Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
        return new EntryIterator();
    }
    // HashMap的Entry对应的集合
    private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;
    // 返回“key的集合”,实际上返回一个“KeySet对象”
    public Set<K> keySet() {
        Set<K> ks = keySet;
        return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
    }
    // Key对应的集合
    // KeySet继承于AbstractSet,说明该集合中没有重复的Key。
    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();
        }
    }
    // 返回“value集合”,实际上返回的是一个Values对象
    public Collection<V> values() {
        Collection<V> vs = values;
        return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
    }
    // “value集合”
    // Values继承于AbstractCollection,不同于“KeySet继承于AbstractSet”,
    // Values中的元素能够重复。因为不同的key可以指向相同的value。
    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();
        }
    }
    // 返回“HashMap的Entry集合”
    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        return entrySet0();
    }
    // 返回“HashMap的Entry集合”,它实际是返回一个EntrySet对象
    private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
        Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
        return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
    }
    // EntrySet对应的集合
    // EntrySet继承于AbstractSet,说明该集合中没有重复的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();
        }
    }
    // java.io.Serializable的写入函数
    // 将HashMap的“总的容量,实际容量,所有的Entry”都写入到输出流中
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws IOException
    {
        Iterator<Map.Entry<K,V>> i =
            (size > 0) ? entrySet0().iterator() : null;
        // Write out the threshold, loadfactor, and any hidden stuff
        s.defaultWriteObject();
        // Write out number of buckets
        s.writeInt(table.length);
        // Write out size (number of Mappings)
        s.writeInt(size);
        // Write out keys and values (alternating)
        if (i != null) {
            while (i.hasNext()) {
            Map.Entry<K,V> e = i.next();
            s.writeObject(e.getKey());
            s.writeObject(e.getValue());
            }
        }
    }
    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
    // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出
    // 将HashMap的“总的容量,实际容量,所有的Entry”依次读出
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
         throws IOException, ClassNotFoundException
    {
        // Read in the threshold, loadfactor, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();
        // Read in number of buckets and allocate the bucket array;
        int numBuckets = s.readInt();
        table = new Entry[numBuckets];
        init();  // Give subclass a chance to do its thing.
        // Read in size (number of Mappings)
        int size = s.readInt();
        // Read the keys and values, and put the mappings in the HashMap
        for (int i=0; i<size; i++) {
            K key = (K) s.readObject();
            V value = (V) s.readObject();
            putForCreate(key, value);
        }
    }
    // 返回“HashMap总的容量”
    int   capacity()     { return table.length; }
    // 返回“HashMap的加载因子”
    float loadFactor()   { return loadFactor;   }
}

主要代码分析:

  • public V get(Object key):

    如果key不为null,则先求的key的hash值,根据hash值找到在table中的索引,在该索引对应的单链表中查找是否有键值对的key与目标key相等,有就返回对应的value,没有则返回null。   如果key为null,则直接从哈希表的第一个位置table[0]对应的链表上查找。记住,key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中,当然不一定是存放在头结点table[0]中。

  • public V put(K key, V value)

    如果key不为null,则同样先求出key的hash值,根据hash值得出在table中的索引,而后遍历对应的单链表,如果单链表中存在与目标key相等的键值对,则将新的value覆盖旧的value,并将旧的value返回,如果找不到与目标key相等的键值对,或者该单链表为空,则将该键值对插入到改单链表的头结点位置(每次新插入的节点都是放在头结点的位置),该操作是有addEntry方法实现的,它的源码如下:

 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; //如果要加入的位置有值,将该位置原先的值设置为新entry的next,也就是新entry链表的下一个节点
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        if (size++ >= threshold) //如果大于临界值就扩容
            resize(2 * table.length); //以2的倍数扩容
    }

参数bucketIndex就是indexFor函数计算出来的索引值,第2行代码是取得数组中索引为bucketIndex的Entry对象,第3行就是用hash、key、value构建一个新的Entry对象放到索引为bucketIndex的位置,并且将该位置原先的对象设置为新对象的next构成链表。第4行和第5行就是判断put后size是否达到了临界值threshold,如果达到了临界值就要进行扩容,HashMap扩容是扩为原来的两倍。

如果key为null,则将其添加到table[0]对应的链表中,由putForNullKey()实现。

 // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置 
    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;  
            }  
        }  
        // 如果没有存在key为null的键值对,则直接题阿见到table[0]处! 
        modCount++;  
        addEntry(0, null, value, 0);  
        return null;  
    } 

涉及到的resize扩容方法:

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);//用来将原先table的元素全部移到newTable里面
        table = newTable;  //再将newTable赋值给table
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//重新计算临界值
    } 

  它新建了一个HashMap的底层数组,而后调用transfer方法,将就HashMap的全部元素添加到新的HashMap中(要重新计算元素在新的数组中的索引位置)。   扩容是需要进行数组复制的,非常消耗性能的操作,所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数,那么预设元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

  • hash()
static int hash(int h) {
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }
  • hash值找到对应索引
static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

HashMap中则通过h&(length-1)的方法来代替取模,同样实现了均匀的散列,但效率要高很多,这也是HashMap对Hashtable的一个改进。   length为2的整数次幂的话,h&(length-1)就相当于对length取模,这样便保证了散列的均匀,同时也提升了效率。

说明:length为2的整数次幂的话,为偶数,这样length-1为奇数,奇数的最后一位是1,这样便保证了h&(length-1)的最后一位可能为0,也可能为1(这取决于h的值),即与后的结果可能为偶数,也可能为奇数,这样便可以保证散列的均匀性,而如果length为奇数的话,很明显length-1为偶数,它的最后一位是0,这样h&(length-1)的最后一位肯定为0,即只能为偶数,这样任何hash值都只会被散列到数组的偶数下标位置上,这便浪费了近一半的空间。

查看原文: 从代码层读懂HashMap的实现原理

 

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