HashMap源码解析

  1. 1. Node
  2. 2. put(K key, V value)
    1. 2.1. hash(Object key)
    2. 2.2. putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict)
    3. 2.3. resize()
  3. 3. 参考

分析版本: JDK1.8

在 Java8 之前, HashMap 是链表散列的数据结构,即数组和链表的结合体;从 Java8 开始,引入红黑树的数据结构和扩容的优化。

Node

从 Java8 引入红黑树之后, HashMap 是由数组、链表和红黑树组成,发现源码有些地方与之前不同,那就是 Node

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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 ,内容没变,只是换了一种叫法。

put(K key, V value)

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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 使用哈希表来存储。哈希表为解决冲突,可以采用开放地址法和链地址法等来解决问题,Java 中 HashMap 采用了链地址法。链地址法,就是数组加链表的结合。在每个数组元素上都一个链表结构,当数据被Hash后,得到数组下标,把数据放在对应下标元素的链表上。

当我们往 HashMap 中 put 元素的时候,先根据 key 的 hashCode 重新计算 hash 值,根据 hash 值再通过高位运算和取模运算得到这个元素在数组中的位置(即下标),如果数组该位置上已经存放有其他元素了,那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,最先加入的放在链尾,如果该链表超出 8 个的话,就转换成红黑树。如果数组该位置上没有元素,就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

hash(Object key)

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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)//取模运算
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值和高位参与运算
}

}

定位位置的方法通过以上三个步骤得到,取 key 的 hashCode 的值,然后进行无符号右移 16 位,再与现有哈希桶数组的大小取模。通过 (n - 1) & hash 来得到该对象的保存位求得这个位置的时候,马上就可以知道对应位置的元素,不用遍历链表,大大优化了查询的效率。

当 length 总是 2 的 n 次方时,(length - 1) & hash 运算等价于对 length 取模,也就是h % length,但是 & 比 % 具有更高的效率。

注意,在 Java8 之前的算法是这样的:

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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 优化了高位运算的算法,通过 hashCode() 的高 16 位异或低 16 位实现的:(h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16),主要是从速度、功效、质量来考虑的,这么做可以在数组 table 的 length 比较小的时候,也能保证考虑到高低 Bit 都参与到 Hash 的计算中,同时不会有太大的开销。

indexFor()

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

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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)//如果为null或者大小为0则创建
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//计算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,那么直接覆盖value
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)//是否是红黑树
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {//为链表
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);//链表长度大于8转换为红黑树进行处理
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;//key已经存在直接覆盖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();//扩容
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
}
  1. 当 table 数组为 null 或者大小为 0 的时候进行扩容。
  2. 第二步,计算出该 key 的索引 index 。
  3. 找到 table 数组中该位置,判断该位置上是否有值:
    1. 如果有,判断 key 的 hashCode() 和 equals() 是否相等,相等的话覆盖,不相等的话再判断是否是红黑树还是链表。
    2. 如果没有,判断是不是红黑树:
      1. 是,就插入到红黑树中;
      2. 不是话,遍历链表,如果大小大于8,转换成红黑树,插入到红黑树中,不大于8的话就插入到链表,如果在遍历的是否发现hashCode() 和 equals() 相等。
  4. 插入成功后,判断 table 数组大小是否超过了最大容量,是的话扩容

resize()

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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;//旧的数组
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//旧的数组大小
int oldThr = threshold;//旧的最大容量
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//扩容前的旧的数组大小如果已经达到最大(2^30)
threshold = Integer.MAX_VALUE;////修改最大容量为int的最大值(2^31-1),这样以后就不会扩容了
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)//扩容后的小于数组大小最大值
newThr = oldThr << 1; // double threshold 在旧值上乘以2
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;//旧的最大容量就是新的数组容量
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) {//计算新的最容量
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数组
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//将旧的移动到新的里面去
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)//没有重合的,就只有这一个值
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//给e找位置
else if (e instanceof TreeNode)//如果是红黑树
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order 处理链表
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) {//原来的索引
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {//原来的索引+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数组里
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {//原索引+oldCap放到新table数组里
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
}

参考