JDK源码阅读之 HashMap

Posted 2022-11-28 蜡笔小斌

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JDK源码阅读之 HashMap相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

HashMap 的存储实现

试图将多个 key-value 放入 HashMap 中时，以如下代码片段为例：

 HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>(); 
 map.put("语文" , 80.0); 
 map.put("数学" , 89.0); 
 map.put("英语" , 78.2);

HashMap 采用一种所谓的“Hash 算法”来决定每个元素的存储位置。

当程序执行 map.put(“语文” , 80.0); 时，系统将调用”语文”的 hashCode() 方法得到其 hashCode 值——每个 Java 对象都有 hashCode() 方法，都可通过该方法获得它的 hashCode 值。得到这个对象的 hashCode 值之后，系统会根据该 hashCode 值来决定该元素的存储位置。

我们可以看 HashMap 类的 put(K key , V value) 方法的源代码：

 public V put(K key, V value) 
  
     // 如果 key 为 null，调用 putForNullKey 方法进行处理
     if (key == null) 
         return putForNullKey(value); 
     // 根据 key 的 keyCode 计算 Hash 值
     int hash = hash(key.hashCode()); 
     // 搜索指定 hash 值在对应 table 中的索引
     int i = indexFor(hash, table.length);
     // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素
     for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
      
         Object k; 
         // 找到指定 key 与需要放入的 key 相等（hash 值相同
         // 通过 equals 比较放回 true）
         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
             || key.equals(k))) 
          
             V oldValue = e.value; 
             e.value = value; 
             e.recordAccess(this); 
             return oldValue; 
          
      
     // 如果 i 索引处的 Entry 为 null，表明此处还没有 Entry 
     modCount++; 
     // 将 key、value 添加到 i 索引处
     addEntry(hash, key, value, i); 
     return null;

上面程序中用到了一个重要的内部接口：Map.Entry，每个 Map.Entry 其实就是一个 key-value 对。从上面程序中可以看出：当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时，完全没有考虑 Entry 中的 value，仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。这也说明了前面的结论：我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可。

上面方法提供了一个根据 hashCode() 返回值来计算 Hash 码的方法：hash()，这个方法是一个纯粹的数学计算，其方法如下：

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

对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 Hash 码值总是相同的。接下来程序会调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：

static int indexFor(int h, int length) 
 
    return h & (length-1);

这个方法非常巧妙，它总是通过 h &(table.length -1) 来得到该对象的保存位置——而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方，这一点可参看后面关于 HashMap 构造器的介绍。

当 length 总是 2 的倍数时，h & (length-1) 将是一个非常巧妙的设计：假设 h=5,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 5；如果 h=6,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 6 ……如果 h=15,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 15；但是当 h=16 时 , length=16 时，那么 h & length - 1 将得到 0 了；当 h=17 时 , length=16 时，那么 h & length - 1 将得到 1 了……这样保证计算得到的索引值总是位于 table 数组的索引之内。

根据上面 put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个 key-value 对放入 HashMap 中时，程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value，但 key 不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。

当向 HashMap 中添加 key-value 对，由其 key 的 hashCode() 返回值决定该 key-value 对（就是 Entry 对象）的存储位置。当两个 Entry 对象的 key 的 hashCode() 返回值相同时，将由 key 通过 eqauls() 比较值决定是采用覆盖行为（返回 true），还是产生 Entry 链（返回 false）。

上面程序中还调用了 addEntry(hash, key, value, i); 代码，其中 addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法，该方法仅用于添加一个 key-value 对。下面是该方法的代码：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
 
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry 
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];   // ①
    // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); 
    // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限
    if (size++ >= threshold) 
        // 把 table 对象的长度扩充到 2 倍。
        resize(2 * table.length);    // ②

上面方法的代码很简单，但其中包含了一个非常优雅的设计：系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象，那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象（产生一个 Entry 链），如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象，也就是上面程序①号代码的 e 变量是 null，也就是新放入的 Entry 对象指向 null，也就是没有产生 Entry 链。

HashMap 的读取实现

当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ——也就是没有通过指针产生 Entry 链时，此时的 HashMap 具有最好的性能：当程序通过 key 取出对应 value 时，系统只要先计算出该 key 的 hashCode() 返回值，在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引，然后取出该索引处的 Entry，最后返回该 key 对应的 value 即可。看 HashMap 类的 get(K key) 方法代码：

 public V get(Object key) 
  
     // 如果 key 是 null，调用 getForNullKey 取出对应的 value 
     if (key == null) 
         return getForNullKey(); 
     // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
     int hash = hash(key.hashCode()); 
     // 直接取出 table 数组中指定索引处的值，
     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
         e != null; 
         // 搜索该 Entry 链的下一个 Entr 
         e = e.next)         // ①
      
         Object k; 
         // 如果该 Entry 的 key 与被搜索 key 相同
         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
             || key.equals(k))) 
             return e.value; 
      
     return null;

从上面代码中可以看出，如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时，HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry；在发生“Hash 冲突”的情况下，单个 bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），那系统必须循环到最后才能找到该元素。

归纳起来简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据 Hash 算法来决定其存储位置；当需要取出一个 Entry 时，也会根据 Hash 算法找到其存储位置，直接取出该 Entry。由此可见：HashMap 之所以能快速存、取它所包含的 Entry，完全类似于现实生活中母亲从小教我们的：不同的东西要放在不同的位置，需要时才能快速找到它。