实时输出Java8 HashMap数据结构

Posted 2023-01-06 isea533

看过 Java 8 HashMap 源码的知道底层数据结构是数组、链表和红黑树实现的，从Debug调试或者序列化输出的都是K,V值，没法直观的看到上述的数据结构，为了直观的看到数据结构存储方面的变化，本文通过动图演示HashMap的结构变化。

为了简单看出链表到红黑树的变化，定义一个方便控制的key来演示效果。

public class Key implements Comparable<Key>
   private final int hash;
    private final int value;

    public Key(int hash, int value) 
        this.hash = hash;
        this.value = value;
    

    @Override
    public int compareTo(Key o) 
        return (value < o.value) ? -1 : ((value == o.value) ? 0 : 1);
    

    @Override
    public boolean equals(Object o) 
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        Key key = (Key) o;

        if (hash != key.hash) return false;
        return value == key.value;
    

    @Override
    public int hashCode() 
        return hash;
    

上面通过 hashCode 直接返回 hash 简单控制值落在数组中的位置，重写的 equals 中通过不同的 value 值保证为不同的 Key，通过 compareTo 比较 value 值，让红黑树可以更直观的展示。

通过下面代码创建一个 hash = 0，value自增的 Key：

 public static void main(String[] args) throws Exception 
    HashMap<Key, Integer> map = new HashMap<>();
    int valueSize = 20;
    for (int i = 0; i < valueSize; i++) 
        clearScreen();
        System.out.println("---------------------------------------------");
        printTableLength("table.length before put: ", map);

        map.put(new Key(0, i), i);

        printTableLength("table.length after put : ", map);
        print(map);
    

通过 clearScreen() 实现 CMD 清屏的效果，通过 printTableLength("table.length before put: ", map); 打印 HashMap 中 Node<K,V>[] table 数组的长度，当调整长度 resize 时，就会产生变化。通过 print(map) 输出 HashMap 的结构。上述代码执行过程中的关键输出如下：

---------------------------------------------
table.length before put: 0
table.length after put : 16
table[0] printmap.MapTest$Key@0 -> 0
---------------------------------------------
table.length before put: 16
table.length after put : 16
table[0] printmap.MapTest$Key@0 -> 0 -> 1
---------------------------------------------
省略...

下面开始，当链表长度超过8时，会转换树，转换树时会判断 table数组的长度是否超过64，由于此时长度为16，会先通过 resize 扩容来避免hash冲突。

链表长度10的时候，由于数据大小32，会先resize扩容，所以就出现了链表长度为 10 的特殊情况。

---------------------------------------------
table.length before put: 16
table.length after put : 32
table[0] printmap.MapTest$Key@0 -> 0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 7 -> 8
---------------------------------------------
table.length before put: 32
table.length after put : 64
table[0] printmap.MapTest$Key@0 -> 0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 7 -> 8 -> 9

等到下一次的时候，链表长度超过8，数组到了64，链表就转换为了红黑树（树形结构中B为黑，R为红）。

---------------------------------------------
table.length before put: 64
table.length after put : 64
table[0] printmap.MapTest$Key@0
│               ┌── R:10
│           ┌── B:9
│           │   └── R:8
│       ┌── R:7
│       │   └── B:6
│   ┌── B:5
│   │   └── B:4
└── B:3
    │   ┌── B:2
    └── B:1
        └── B:0
---------------------------------------------
省略...
---------------------------------------------
table.length before put: 64
table.length after put : 64
table[0] printmap.MapTest$Key@0
│                   ┌── R:18
│               ┌── B:17
│               │   └── R:16
│           ┌── R:15
│           │   └── B:14
│       ┌── B:13
│       │   └── B:12
│   ┌── R:11
│   │   │   ┌── B:10
│   │   └── B:9
│   │       └── B:8
└── B:7
    │       ┌── B:6
    │   ┌── B:5
    │   │   └── B:4
    └── R:3
        │   ┌── B:2
        └── B:1
            └── B:0

上图是最终状态的树。下面的动图为完整的慢速执行过程：

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