Java HashMap的扩容

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

最近博主参加面试，发现自己对于Java的HashMap的扩容过程理解不足，故最近在此进行总结。

 

首先说明博主德Java为1.8版本

 

HashMap中的变量

首先要了解HashMap的扩容过程，我们就得了解一些HashMap中的变量：

 

  • Node<K,V>：链表节点，包含了key、value、hash、next指针四个元素
  • table：Node<K,V>类型的数组，里面的元素是链表，用于存放HashMap元素的实体
  • size：记录了放入HashMap的元素个数
  • loadFactor：负载因子
  • threshold：阈值，决定了HashMap何时扩容，以及扩容后的大小，一般等于table大小乘以loadFactor
 

HashMap的构造函数

HashMap的构造函数主要有四个，代码如下：
[java] view plain copy
 
  1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {  
  2.     ...  
  3.     this.loadFactor = loadFactor;  
  4.     this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);  
  5. }  
  6.   
  7. public HashMap(int initialCapacity) {  
  8.     this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);  
  9. }  
  10.   
  11. public HashMap() {  
  12.     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted  
  13. }  
  14.   
  15. public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {  
  16.     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;  
  17.     putMapEntries(m, false);  
  18. }  

其中主要有两种形式：
  • 直接拷贝别的HashMap的形式，在此不作讨论
  • 定义初始容量大小（table数组的大小，缺省值为16），定义负载因子（缺省值为0.75）的形式
值得注意的是，当我们自定义HashMap初始容量大小时，构造函数并非直接把我们定义的数值当做HashMap容量大小，而是把该数值当做参数调用方法tableSizeFor，然后把返回值作为HashMap的初始容量大小：
[java] view plain copy
 
  1. /** 
  2.  * Returns a power of two size for the given target capacity. 
  3.  */  
  4. static final int tableSizeFor(int cap) {  
  5.     int n = cap - 1;  
  6.     n |= n >>> 1;  
  7.     n |= n >>> 2;  
  8.     n |= n >>> 4;  
  9.     n |= n >>> 8;  
  10.     n |= n >>> 16;  
  11.     return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;  
  12. }  

该方法会返回一个大于等于当前参数的2的倍数，因此HashMap中的table数组的容量大小总是2的倍数。

 

 

何时进行扩容？

HashMap使用的是懒加载，构造完HashMap对象后，只要不进行put 方法插入元素之前，HashMap并不会去初始化或者扩容table：
[java] view plain copy
 
  1. public V put(K key, V value) {  
  2.     return putVal(hash(key), key, value, false, true);  
  3. }  
  4.   
  5. final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,  
  6.                boolean evict) {  
  7.     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;  
  8.     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)  
  9.         n = (tab = resize()).length;  
  10.     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)  
  11.         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);  
  12.     else {  
  13.         ...  
  14.     }  
  15.     ++modCount;  
  16.     if (++size > threshold)  
  17.         resize();  
  18.     afterNodeInsertion(evict);  
  19.     return null;  
  20. }  

在putVal方法第8、9行我们可以看到，当首次调用put方法时，HashMap会发现table为空然后调用resize方法进行初始化
在putVal方法第16、17行我们可以看到，当添加完元素后，如果HashMap发现size（元素总数）大于threshold（阈值），则会调用resize方法进行扩容
 
在这里值得注意的是，在putVal方法第10行我们可以看到，插入元素的hash值是一个32位的int值，而实际当前元素插入table的索引的值为 ：
[java] view plain copy
 
  1. （table.size - 1）& hash  

又由于table的大小一直是2的倍数，2的N次方，因此当前元素插入table的索引的值为其hash值的后N位组成的值
 

resize扩容

[java] view plain copy
 
  1. final Node<K,V>[] resize() {  
  2.     Node<K,V>[] oldTab = table;  
  3.     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;  
  4.     int oldThr = threshold;  
  5.     int newCap, newThr = 0;  
  6.     if (oldCap > 0) {  
  7.         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {  
  8.             threshold = Integer.MAX_VALUE;  
  9.             return oldTab;  
  10.         }  
  11.         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&  
  12.                  oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)  
  13.             newThr = oldThr << 1; // double threshold  
  14.     }  
  15.     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold  
  16.         newCap = oldThr;  
  17.     else {               // zero initial threshold signifies using defaults  
  18.         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;  
  19.         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);  
  20.     }  
  21.     if (newThr == 0) {  
  22.         float ft = (float)newCap * loadFactor;  
  23.         newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?  
  24.                   (int)ft : Integer.MAX_VALUE);  
  25.     }  
  26.     threshold = newThr;  
  27.     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})  
  28.         Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];  
  29.     table = newTab;  
  30.     if (oldTab != null) {  
  31.         for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {  
  32.             Node<K,V> e;  
  33.             if ((e = oldTab[j]) != null) {  
  34.                 oldTab[j] = null;  
  35.                 if (e.next == null)  
  36.                     newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;  
  37.                 else if (e instanceof TreeNode)  
  38.                     ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);  
  39.                 else { // preserve order  
  40.                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;  
  41.                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;  
  42.                     Node<K,V> next;  
  43.                     do {  
  44.                         next = e.next;  
  45.                         if ((e.hash & oldCap) == 0) {  
  46.                             if (loTail == null)  
  47.                                 loHead = e;  
  48.                             else  
  49.                                 loTail.next = e;  
  50.                             loTail = e;  
  51.                         }  
  52.                         else {  
  53.                             if (hiTail == null)  
  54.                                 hiHead = e;  
  55.                             else  
  56.                                 hiTail.next = e;  
  57.                             hiTail = e;  
  58.                         }  
  59.                     } while ((e = next) != null);  
  60.                     if (loTail != null) {  
  61.                         loTail.next = null;  
  62.                         newTab[j] = loHead;  
  63.                     }  
  64.                     if (hiTail != null) {  
  65.                         hiTail.next = null;  
  66.                         newTab[j + oldCap] = hiHead;  
  67.                     }  
  68.                 }  
  69.             }  
  70.         }  
  71.     }  
  72.     return newTab;  
  73. }  

从第15 ～ 20行可以看到，若threshold（阈值）不为空，table的首次初始化大小为阈值，否则初始化为缺省值大小16
 
当table需要扩容时，从第11 ~ 13行可以看到，扩容后的table大小变为原来的两倍，接下来就是进行扩容后table的调整：
假设扩容前的table大小为2的N次方，有上述put方法解析可知，元素的table索引为其hash值的后N位确定
那么扩容后的table大小即为2的N+1次方，则其中元素的table索引为其hash值的后N+1位确定，比原来多了一位
因此，table中的元素只有两种情况：
  1. 元素hash值第N+1位为0：不需要进行位置调整
  2. 元素hash值第N+1位为1：调整至原索引的两倍位置
在resize方法中，第45行的判断即用于确定元素hashi值第N+1位是否为0：
  • 若为0，则使用loHead与loTail，将元素移至新table的原索引处
  • 若不为0，则使用hiHead与hiHead，将元素移至新table的两倍索引处
扩容或初始化完成后，resize方法返回新的table





以上是关于Java HashMap的扩容的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java 集合深入理解 ：HashMap之扩容 数据迁移

作为Java开发，知道HashMap底层存储原理总不会害你！

Java8中HashMap扩容算法小计

HashMap的扩容机制

Java HashMap的原理扩容机制以及性能思考

jdk1.8 HashMap扩容原理解析