Java 容器源码分析之Map-Set-List
Posted Qiao_Zhi
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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 容器源码分析之Map-Set-List相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
参考:http://www.cnblogs.com/travelller-java/p/4989374.html
HashMap 的实现原理
HashMap 概述
HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。
此实现假定哈希函数将元素适当地分布在各桶之间，可为基本操作（get 和 put）提供稳定的性能。迭代 collection 视图所需的时间与 HashMap 实例的“容量”（桶的数量）及其大小（键-值映射关系数）成比例。所以，如果迭代性能很重要，则不要将初始容量设置得太高或将加载因子设置得太低。也许大 家开始对这段话有一点不太懂，不过不用担心，当你读完这篇文章后，就能深切理解这其中的含义了。
需要注意的是：Hashmap 不是同步的，如果多个线程同时访问一个 HashMap，而其中至少一个线程从结构上（指添加或者删除一个或多个映射关系的任何操作）修改了，则必须保持外部同步，以防止对映射进行意外的非同步访问。
HashMap 的数据结构
在 Java 编程语言中，最基本的结构就是两种，一个是数组，另外一个是指针（引用），HashMap 就是通过这两个数据结构进行实现。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。
从上图中可以看出，HashMap 底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个 HashMap 的时候，就会初始化一个数组。
我们通过 JDK 中的 HashMap 源码进行一些学习，首先看一下构造函数：
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
init();
}
我们着重看一下第 18 行代码table = new Entry[capacity];。这不就是 Java 中数组的创建方式吗？也就是说在构造函数中，其创建了一个 Entry 的数组，其大小为 capacity（目前我们还不需要太了解该变量含义），那么 Entry 又是什么结构呢？看一下源码：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
……
}
我们目前还是只着重核心的部分，Entry 是一个 static class，其中包含了 key 和 value，也就是键值对，另外还包含了一个 next 的 Entry 指针。我们可以总结出：Entry 就是数组中的元素，每个 Entry 其实就是一个 key-value 对，它持有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。
HashMap 的核心方法解读
存储
put我们看一下方法的标准注释：在注释中首先提到了，当我们 put 的时候，如果 key 存在了，那么新的 value 会代替旧的 value，并且如果 key 存在的情况下，该方法返回的是旧的 value，如果 key 不存在，那么返回 null。
从上面的源代码中可以看出：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。
addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的 hash 值，将 key-value 对放在数组 table 的 i 索引处。addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法，代码如下：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
// 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entr
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
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。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。
hash(int h)方法根据 key 的 hashCode 重新计算一次散列。此算法加入了高位计算，防止低位不变，高位变化时，造成的 hash 冲突。
final int hash(Object k) {
int h = 0;
if (useAltHashing) {
if (k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h = hashSeed;
}
//得到k的hashcode值
h ^= k.hashCode();
//进行计算
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
我们可以看到在 HashMap 中要找到某个元素，需要根据 key 的 hash 值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是 hash 算法。前面说过 HashMap 的数据结构是数组和链表的结合，所以我们当然希望这个 HashMap 里面的 元素位置尽量的分布均匀些，尽量使得每个位置上的元素数量只有一个，那么当我们用 hash 算法求得这个位置的时候，马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的，而不用再去遍历链表，这样就大大优化了查询的效率。
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。我们首先想到的就是把 hash 值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，在 HashMap 中是这样做的：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，它通过 h & (table.length -1) 来得到该对象的保存位，而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方，这是 HashMap 在速度上的优化。在 HashMap 构造器中有如下代码：
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
这段代码保证初始化时 HashMap 的容量总是 2 的 n 次方，即底层数组的长度总是为 2 的 n 次方。
当 length 总是 2 的 n 次方时，h& (length-1)运算等价于对 length 取模，也就是 h%length，但是 & 比 % 具有更高的效率。这看上去很简单，其实比较有玄机的，我们举个例子来说明：
假设数组长度分别为 15 和 16，优化后的 hash 码分别为 8 和 9，那么 & 运算后的结果如下：
| h & (table.length-1) | hash | table.length-1 | ||
|---|---|---|---|---|
| 8 & (15-1)： | 0100 | & | 1110 | = 0100 |
| 9 & (15-1)： | 0101 | & | 1110 | = 0100 |
| 8 & (16-1)： | 0100 | & | 1111 | = 0100 |
| 9 & (16-1)： | 0101 | & | 1111 | = 0101 |
从上面的例子中可以看出：当它们和 15-1（1110）“与”的时候，产生了相同的结果，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，8 和 9 会被放到数组中的同一个位置上形成链表，那么查询的时候就需要遍历这个链 表，得到8或者9，这样就降低了查询的效率。同时，我们也可以发现，当数组长度为 15 的时候，hash 值会与 15-1（1110）进行“与”，那么最后一位永远是 0，而 0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101 这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了 查询的效率！而当数组长度为16时，即为2的n次方时，2n-1 得到的二进制数的每个位上的值都为 1，这使得在低位上&时，得到的和原 hash 的低位相同，加之 hash(int h)方法对 key 的 hashCode 的进一步优化，加入了高位计算，就使得只有相同的 hash 值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。
所以说，当数组长度为 2 的 n 次幂的时候，不同的 key 算得得 index 相同的几率较小，那么数据在数组上分布就比较均匀，也就是说碰撞的几率小，相对的，查询的时候就不用遍历某个位置上的链表，这样查询效率也就较高了。
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。
读取
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
* key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
* it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
* indicate that the map contains no mapping for the key; it\'s also
* possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
* The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
* distinguish these two cases.
*
* @see #put(Object, Object)
*/
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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;
}
有了上面存储时的 hash 算法作为基础，理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出：从 HashMap 中 get 元素时，首先计算 key 的 hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过 key 的 equals 方法在对应位置的链表中找到需要的元素。
归纳
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 算法来决定其在数组中的存储位置，在根据 equals 方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry 时，也会根据 hash 算法找到其在数组中的存储位置，再根据 equals 方法从该位置上的链表中取出该Entry。
HashMap 的 resize（rehash）
当 HashMap 中的元素越来越多的时候，hash 冲突的几率也就越来越高，因为数组的长度是固定的。所以为了提高查询的效率，就要对 HashMap 的数组进行扩容，数组扩容这个操作也会出现在 ArrayList 中，这是一个常用的操作，而在 HashMap 数组扩容之后，最消耗性能的点就出现了：原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置，并放进去，这就是 resize。
那么 HashMap 什么时候进行扩容呢？当 HashMap 中的元素个数超过数组大小 *loadFactor时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值为 0.75，这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小为 16，那么当 HashMap 中元素个数超过 16*0.75=12 的时候，就把数组的大小扩展为 2*16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个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。
HashMap 的性能参数
HashMap 包含如下几个构造器：
- HashMap()：构建一个初始容量为 16，负载因子为 0.75 的 HashMap。
- HashMap(int initialCapacity)：构建一个初始容量为 initialCapacity，负载因子为 0.75 的 HashMap。
- HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。
HashMap 的基础构造器 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 带有两个参数，它们是初始容量 initialCapacity 和负载因子 loadFactor。
负载因子 loadFactor 衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。对于使用链表法的散列表来说，查找一个元素的平均时间是 O(1+a)，因此如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪 费。
HashMap 的实现中，通过 threshold 字段来判断 HashMap 的最大容量：
threshold = (int)(capacity * loadFactor);结合负载因子的定义公式可知，threshold 就是在此 loadFactor 和 capacity 对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新 resize，以降低实际的负载因子。默认的的负载因子 0.75 是对空间和时间效率的一个平衡选择。当容量超出此最大容量时， resize 后的 HashMap 容量是容量的两倍：
Fail-Fast 机制
原理
我们知道 java.util.HashMap 不是线程安全的，因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了 map，那么将抛出 ConcurrentModificationException，这就是所谓 fail-fast 策略。
ail-fast 机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制。 当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生 fail-fast 事件。
例如：当某一个线程 A 通过 iterator去遍历某集合的过程中，若该集合的内容被其他线程所改变了；那么线程 A 访问集合时，就会抛出 ConcurrentModificationException 异常，产生 fail-fast 事件。
这一策略在源码中的实现是通过 modCount 域，modCount 顾名思义就是修改次数，对 HashMap 内容（当然不仅仅是 HashMap 才会有，其他例如 ArrayList 也会）的修改都将增加这个值（大家可以再回头看一下其源码，在很多操作中都有 modCount++ 这句），那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的 expectedModCount。
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
if (size > 0) { // advance to first entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
在迭代过程中，判断 modCount 跟 expectedModCount 是否相等，如果不相等就表示已经有其他线程修改了 Map：
注意到 modCount 声明为 volatile，保证线程之间修改的可见性。
final Entry<K,V> nextEntry() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
在 HashMap 的 API 中指出：
由所有 HashMap 类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的：在迭代器创建之后，如果从结构上对映射进行修改，除非通过迭代器本身的 remove 方法，其他任何时间任何方式的修改，迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此，面对并发的修改，迭代器很快就会完全失败，而不冒在将来不确定的时间发生任意不 确定行为的风险。
注意，迭代器的快速失败行为不能得到保证，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是错误的，正确做法是：迭代器的快速失败行为应该 仅用于检测程序错误。
解决方案
在上文中也提到，fail-fast 机制，是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误，因为 JDK 并不保证 fail-fast 机制一定会发生。若在多线程环境下使用 fail-fast 机制的集合，建议使用“java.util.concurrent 包下的类”去取代“java.util 包下的类”。
HashMap 的两种遍历方式
第一种
Map map = new HashMap();
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
Object key = entry.getKey();
Object val = entry.getValue();
}
效率高,以后一定要使用此种方式！
第二种
Map map = new HashMap();
Iterator iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
Object key = iter.next();
Object val = map.get(key);
}
效率低,以后尽量少使用！
HashSet 的实现原理
HashSet 概述
对于 HashSet 而言，它是基于 HashMap 实现的，底层采用 HashMap 来保存元素，所以如果对 HashMap 比较熟悉了，那么学习 HashSet 也是很轻松的。
我们先通过 HashSet 最简单的构造函数和几个成员变量来看一下，证明咱们上边说的，其底层是 HashMap：
private transient HashMap<E,Object> map;
// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();
/**
* Constructs a new, empty set; the backing <tt>HashMap</tt> instance has
* default initial capacity (16) and load factor (0.75).
*/
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
其实在英文注释中已经说的比较明确了。首先有一个HashMap的成员变量，我们在 HashSet 的构造函数中将其初始化，默认情况下采用的是 initial capacity为16，load factor 为 0.75。
HashSet 的实现
对于 HashSet 而言，它是基于 HashMap 实现的，HashSet 底层使用 HashMap 来保存所有元素，因此 HashSet 的实现比较简单，相关 HashSet 的操作，基本上都是直接调用底层 HashMap 的相关方法来完成，我们应该为保存到 HashSet 中的对象覆盖 hashCode() 和 equals()
构造方法
/**
* 默认的无参构造器，构造一个空的HashSet。
*
* 实际底层会初始化一个空的HashMap，并使用默认初始容量为16和加载因子0.75。
*/
public HashSet() {
map = new HashMap<E,Object>();
}
/**
* 构造一个包含指定collection中的元素的新set。
*
* 实际底层使用默认的加载因子0.75和足以包含指定collection中所有元素的初始容量来创建一个HashMap。
* @param c 其中的元素将存放在此set中的collection。
*/
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
map = new HashMap<E,Object>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
addAll(c);
}
/**
* 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个空的HashSet。
*
* 实际底层以相应的参数构造一个空的HashMap。
* @param initialCapacity 初始容量。
* @param loadFactor 加载因子。
*/
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
}
/**
* 以指定的initialCapacity构造一个空的HashSet。
*
* 实际底层以相应的参数及加载因子loadFactor为0.75构造一个空的HashMap。
* @param initialCapacity 初始容量。
*/
public HashSet(int initialCapacity) {
map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity);
}
/**
* 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。此构造函数为包访问权限，不对外公开，
* 实际只是是对LinkedHashSet的支持。
*
* 实际底层会以指定的参数构造一个空LinkedHashMap实例来实现。
* @param initialCapacity 初始容量。
* @param loadFactor 加载因子。
* @param dummy 标记。
*/
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
map = new LinkedHashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
}
add 方法
/**
* @param e 将添加到此set中的元素。
* @return 如果此set尚未包含指定元素，则返回true。
*/
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
如果此 set 中尚未包含指定元素，则添加指定元素。更确切地讲，如果此 set 没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 的元素 e2，则向此 set 添加指定的元素 e。如果此 set 已包含该元素，则该调用不更改 set 并返回 false。但底层实际将将该元素作为 key 放入 HashMap。思考一下为什么？
由于 HashMap 的 put() 方法添加 key-value 对时，当新放入 HashMap 的 Entry 中 key 与集合中原有 Entry 的 key 相同（hashCode()返回值相等，通过 equals 比较也返回 true），新添加的 Entry 的 value 会将覆盖原来 Entry 的 value（HashSet 中的 value 都是PRESENT），但 key 不会有任何改变，因此如果向 HashSet 中添加一个已经存在的元素时，新添加的集合元素将不会被放入 HashMap中，原来的元素也不会有任何改变，这也就满足了 Set 中元素不重复的特性。
该方法如果添加的是在 HashSet 中不存在的，则返回 true；如果添加的元素已经存在，返回 false。其原因在于我们之前提到的关于 HashMap 的 put 方法。该方法在添加 key 不重复的键值对的时候，会返回 null。
其余方法
/**
* 如果此set包含指定元素，则返回true。
* 更确切地讲，当且仅当此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e))的e元素时，返回true。
*
* 底层实际调用HashMap的containsKey判断是否包含指定key。
* @param o 在此set中的存在已得到测试的元素。
* @return 如果此set包含指定元素，则返回true。
*/
public boolean contains(Object o) {
return map.containsKey(o);
}
/**
* 如果指定元素存在于此set中，则将其移除。更确切地讲，如果此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e))的元素e，
* 则将其移除。如果此set已包含该元素，则返回true
*
* 底层实际调用HashMap的remove方法删除指定Entry。
* @param o 如果存在于此set中则需要将其移除的对象。
* @return 如果set包含指定元素，则返回true。
*/
public boolean remove(Object o) {
return map.remove(o)==PRESENT;
}
/**
* 返回此HashSet实例的浅表副本：并没有复制这些元素本身。
*
* 底层实际调用HashMap的clone()方法，获取HashMap的浅表副本，并设置到HashSet中。
*/
public Object clone() {
try {
HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone();
newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone();
return newSet;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
}
}
相关说明
- 相关 HashMap 的实现原理，请参考我的上一遍总结：HashMap的实现原理。
- 对于 HashSet 中保存的对象，请注意正确重写其 equals 和 hashCode 方法，以保证放入的对象的唯一性。这两个方法是比较重要的，希望大家在以后的开发过程中需要注意一下。
Hashtable 的实现原理
概述
和 HashMap 一样，Hashtable 也是一个散列表，它存储的内容是键值对。
Hashtable 在 Java 中的定义为：
public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable{}
从源码中，我们可以看出，Hashtable 继承于 Dictionary 类，实现了 Map, Cloneable, java.io.Serializable接口。其中Dictionary类是任何可将键映射到相应值的类（如 Hashtable）的抽象父类，每个键和值都是对象（源码注释为：The Dictionary class is the abstract parent of any class, such as Hashtable, which maps keys to values. Every key and every value is an object.）。但在这一点我开始有点怀疑，因为我查看了HashMap以及TreeMap的源码，都没有继承于这个类。不过当我看到注释中的解释也就 明白了，其 Dictionary 源码注释是这样的：NOTE: This class is obsolete. New implementations should implement the Map interface, rather than extending this class. 该话指出 Dictionary 这个类过时了，新的实现类应该实现Map接口。
Hashtable 源码解读
成员变量
Hashtable是通过"拉链法"实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量：table, count, threshold, loadFactor, modCount。
- table是一个 Entry[] 数组类型，而 Entry（在 HashMap 中有讲解过）实际上就是一个单向链表。哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。
- count 是 Hashtable 的大小，它是 Hashtable 保存的键值对的数量。
- threshold 是 Hashtable 的阈值，用于判断是否需要调整 Hashtable 的容量。threshold 的值="容量*加载因子"。
- loadFactor 就是加载因子。
- modCount 是用来实现 fail-fast 机制的。
关于变量的解释在源码注释中都有，最好还是应该看英文注释。
/**
* The hash table data.
*/
private transient Entry<K,V>[] table;
/**
* The total number of entries in the hash table.
*/
private transient int count;
/**
* The table is rehashed when its size exceeds this threshold. (The
* value of this field is (int)(capacity * loadFactor).)
*
* @serial
*/
private int threshold;
/**
* The load factor for the hashtable.
*
* @serial
*/
private float loadFactor;
/**
* The number of times this Hashtable has been structurally modified
* Structural modifications are those that change the number of entries in
* the Hashtable or otherwise modify its internal structure (e.g.,
* rehash). This field is used to make iterators on Collection-views of
* the Hashtable fail-fast. (See ConcurrentModificationException).
*/
private transient int modCount = 0;
构造方法
Hashtable 一共提供了 4 个构造方法：
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor)： 用指定初始容量和指定加载因子构造一个新的空哈希表。useAltHashing 为 boolean，其如果为真，则执行另一散列的字符串键，以减少由于弱哈希计算导致的哈希冲突的发生。 public Hashtable(int initialCapacity)：用指定初始容量和默认的加载因子 (0.75) 构造一个新的空哈希表。 public Hashtable()：默认构造函数，容量为 11，加载因子为 0.75。 public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t)：构造一个与给定的 Map 具有相同映射关系的新哈希表。
/**
* Constructs a new, empty hashtable with the specified initial
* capacity and the specified load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the hashtable.
* @param loadFactor the load factor of the hashtable.
* @exception IllegalArgumentException if the initial capacity is less
* than zero, or if the load factor is nonpositive.
*/
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal Load: "+loadFactor);
if (initialCapacity==0)
initialCapacity = 1;
this.loadFactor = loadFactor;
table = new Entry[initialCapacity];
threshold = (int)Math.min(initialCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(initialCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
}
/**
* Constructs a new, empty hashtable with the specified initial capacity
* and default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the hashtable.
* @exception IllegalArgumentException if the initial capacity is less
* than zero.
*/
public Hashtable(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0.75f);
}
/**
* Constructs a new, empty hashtable with a default initial capacity (11)
* and load factor (0.75).
*/
public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}
/**
* Constructs a new hashtable with the same mappings as the given
* Map. The hashtable is created with an initial capacity sufficient to
* hold the mappings in the given Map and a default load factor (0.75).
*
* @param t the map whose mappings are to be placed in this map.
* @throws NullPointerException if the specified map is null.
* @since 1.2
*/
public Hashtable(Map<? extends K, ? extends V> t) {
this(Math.max(2*t.size(), 11), 0.75f);
putAll(t);
}
put 方法
put 方法的整个流程为：
- 判断 value 是否为空，为空则抛出异常；
- 计算 key 的 hash 值，并根据 hash 值获得 key 在 table 数组中的位置 index，如果 table[index] 元素不为空，则进行迭代，如果遇到相同的 key，则直接替换，并返回旧 value；
- 否则，我们可以将其插入到 table[index] 位置。
我在下面的代码中也进行了一些注释：
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null确保value不为null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
//确保key不在hashtable中
//首先，通过hash方法计算key的哈希值，并计算得出index值，确定其在table[]中的位置
//其次，迭代index索引位置的链表，如果该位置处的链表存在相同的key，则替换value，返回旧的value
Entry tab[] = table;
int hash = hash(key);
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
V old = e.value;
e.value = value;
return old;
}
}
modCount++;
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
//如果超过阀值，就进行rehash操作
rehash();
tab = table;
hash = hash(key);
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
//将值插入，返回的为null
Entry<K,V> e = tab[index];
// 创建新的Entry节点，并将新的Entry插入Hashtable的index位置，并设置e为新的Entry的下一个元素
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
return null;
}
通过一个实际的例子来演示一下这个过程：
假设我们现在Hashtable的容量为5，已经存在了(5,5)，(13,13)，(16,16)，(17,17)，(21,21)这 5 个键值对，目前他们在Hashtable中的位置如下：
现在，我们插入一个新的键值对，put(16,22)，假设key=16的索引为1.但现在索引1的位置有两个Entry了，所以程序会对链表进行 迭代。迭代的过程中，发现其中有一个Entry的key和我们要插入的键值对的key相同，所以现在会做的工作就是将newValue=22替换 oldValue=16，然后返回oldValue=16.
然后我们现在再插入一个，put(33,33)，key=33的索引为3，并且在链表中也不存在key=33的Entry，所以将该节点插入链表的第一个位置。
get 方法
相比较于 put 方法，get 方法则简单很多。其过程就是首先通过 hash()方法求得 key 的哈希值，然后根据 hash 值得到 index 索引（上述两步所用的算法与 put 方法都相同）。然后迭代链表，返回匹配的 key 的对应的 value；找不到则返回 null。
public synchronized V get(Object key) {
Entry tab[] = table;
int hash = hash(key);
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return e.value;
}
}
return null;
}
Hashtable 遍历方式
Hashtable 有多种遍历方式：
//1、使用keys()
Enumeration<String> en1 = table.keys();
while(en1.hasMoreElements()) {
en1.nextElement();
}
//2、使用elements()
Enumeration<String> en2 = table.elements();
while(en2.hasMoreElements()) {
en2.nextElement();
}
//3、使用keySet()
Iterator<String> it1 = table.keySet().iterator();
while(it1.hasNext()) {
it1.next();
}
//4、使用entrySet()
Iterator<Entry<String, String>> it2 = table.entrySet().iterator();
while(it2.hasNext()) {
it2.next();
}
Hashtable 与 HashMap 的简单比较
- HashTable 基于 Dictionary 类，而 HashMap 是基于 AbstractMap。Dictionary 是任何可将键映射到相应值的类的抽象父类，而 AbstractMap 是基于 Map 接口的实现，它以最大限度地减少实现此接口所需的工作。
- HashMap 的 key 和 value 都允许为 null，而 Hashtable 的 key 和 value 都不允许为 null。HashMap 遇到 key 为 null 的时候，调用 putForNullKey 方法进行处理，而对 value 没有处理；Hashtable遇到 null，直接返回 NullPointerException。
- Hashtable 方法是同步，而HashMap则不是。我们可以看一下源码，Hashtable 中的几乎所有的 public 的方法都是 synchronized 的，而有些方法也是在内部通过 synchronized 代码块来实现。所以有人一般都建议如果是涉及到多线程同步时采用 HashTable，没有涉及就采用 HashMap，但是在 Collections 类中存在一个静态方法：synchronizedMap()，该方法创建了一个线程安全的 Map 对象，并把它作为一个封装的对象来返回。
LinkedHashMap 的实现原理
LinkedHashMap 概述
HashMap 是无序的，HashMap 在 put 的时候是根据 key 的 hashcode 进行 hash 然后放入对应的地方。所以在按照一定顺序 put 进 HashMap 中，然后遍历出 HashMap 的顺序跟 put 的顺序不同（除非在 put 的时候 key 已经按照 hashcode 排序号了，这种几率非常小）
JAVA 在 JDK1.4 以后提供了 LinkedHashMap 来帮助我们实现了有序的 HashMap！
LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类，它保留插入的顺序，如果需要输出的顺序和输入时的相同，那么就选用 LinkedHashMap。
LinkedHashMap 是 Map 接口的哈希表和链接列表实现，具有可预知的迭代顺序。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。
LinkedHashMap 实现与 HashMap 的不同之处在于，LinkedHashMap 维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，该迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序。
注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问链接的哈希映射，而其中至少一个线程从结构上修改了该映射，则它必须保持外部同步。
根据链表中元素的顺序可以分为：按插入顺序的链表，和按访问顺序(调用 get 方法)的链表。默认是按插入顺序排序，如果指定按访问顺序排序，那么调用get方法后，会将这次访问的元素移至链表尾部，不断访问可以形成按访问顺序排序的链表。
小 Demo
我在最开始学习 LinkedHashMap 的时候，看到访问顺序、插入顺序等等，有点晕了，随着后续的学习才慢慢懂得其中原理，所以我会先在进行做几个 demo 来演示一下 LinkedHashMap 的使用。看懂了其效果，然后再来研究其原理。
HashMap
看下面这个代码：
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("apple", "苹果");
map.put("watermelon", "西瓜");
map.put("banana", "香蕉");
map.put("peach", "桃子");
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
}
}
一个比较简单的测试 HashMap 的代码，通过控制台的输出，我们可以看到 HashMap 是没有顺序的。
banana=香蕉
apple=苹果
peach=桃子
watermelon=西瓜LinkedHashMap
我们现在将 map 的实现换成 LinkedHashMap，其他代码不变：Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>();
看一下控制台的输出：
apple=苹果
watermelon=西瓜
banana=香蕉
peach=桃子我们可以看到，其输出顺序是完成按照插入顺序的！也就是我们上面所说的保留了插入的顺序。我们不是在上面还提到过其可以按照访问顺序进行排序么？好的，我们还是通过一个例子来验证一下：
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new LinkedHashMap<String, String>(16,0.75f,true);
map.put("apple", "苹果");
map.put("watermelon", "西瓜");
map.put("banana", "香蕉");
map.put("peach", "桃子");
map.get("banana");
map.get("apple");
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
}
}
代码与之前的都差不多，但我们多了两行代码，并且初始化 LinkedHashMap 的时候，用的构造函数也不相同，看一下控制台的输出结果：
watermelon=西瓜
peach=桃子
banana=香蕉
apple=苹果这也就是我们之前提到过的，LinkedHashMap 可以选择按照访问顺序进行排序。
LinkedHashMap 的实现
对于 LinkedHashMap 而言，它继承与 HashMap(public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>)、底层使用哈希表与双向链表来保存所有元素。其基本操作与父类 HashMap 相似，它通过重写父类相关的方法，来实现自己的链接列表特性。下面我们来分析 LinkedHashMap 的源代码：
成员变量
LinkedHashMap 采用的 hash 算法和 HashMap 相同，但是它重新定义了数组中保存的元素 Entry，该 Entry 除了保存当前对象的引用外，还保存了其上一个元素 before 和下一个元素 after 的引用，从而在哈希表的基础上又构成了双向链接列表。看源代码：
/**
* The iteration ordering method for this linked hash map: <tt>true</tt>
* for access-order, <tt>false</tt> for insertion-order.
* 如果为true，则按照访问顺序；如果为false，则按照插入顺序。
*/
private final boolean accessOrder;
/**
* 双向链表的表头元素。
*/
private transient Entry<K,V> header;
/**
* LinkedHashMap的Entry元素。
* 继承HashMap的Entry元素，又保存了其上一个元素before和下一个元素after的引用。
*/
private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
……
}
LinkedHashMap 中的 Entry 集成与 HashMap 的 Entry，但是其增加了 before 和 after 的引用，指的是上一个元素和下一个元素的引用。
初始化
通过源代码可以看出，在 LinkedHashMap 的构造方法中，实际调用了父类 HashMap 的相关构造方法来构造一个底层存放的 table 数组，但额外可以增加 accessOrder 这个参数，如果不设置，默认为 false，代表按照插入顺序进行迭代；当然可以显式设置为 true，代表以访问顺序进行迭代。如：
public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor,boolean accessOrder) {
super(initialCapacity, loadFactor);
this.accessOrder = accessOrder;
}
我们已经知道 LinkedHashMap 的 Entry 元素继承 HashMap 的 Entry，提供了双向链表的功能。在上述 HashMap 的构造器中，最后会调用 init() 方法，进行相关的初始化，这个方法在 HashMap 的实现中并无意义，只是提供给子类实现相关的初始化调用。
但在 LinkedHashMap 重写了 init() 方法，在调用父类的构造方法完成构造后，进一步实现了对其元素 Entry 的初始化操作。
/**
* Called by superclass constructors and pseudoconstructors (clone,
* readObject) before any entries are inserted into the map. Initializes
* the chain.
*/
@Override
void init() {
header = new Entry<>(-1, null, null, null);
header.before = header.after = header;
}
存储
LinkedHashMap 并未重写父类 HashMap 的 put 方法，而是重写了父类 HashMap 的 put 方法调用的子方法void recordAccess(HashMap m) ，void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 和void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)，提供了自己特有的双向链接列表的实现。我们在之前的文章中已经讲解了HashMap的put方法，我们在这里重新贴一下 HashMap 的 put 方法的源代码：
HashMap.put:
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
重写方法：
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 调用create方法，将新元素以双向链表的的形式加入到映射中。
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
// 删除最近最少使用元素的策略定义
Entry<K,V> eldest = header.after;
if (removeEldestEntry(eldest)) {
removeEntryForKey(eldest.key);
} else {
if (size >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
HashMap.Entry<K,V> old = table[bucketIndex];
Entry<K,V> e = new Entry<K,V>(hash, key, value, old);
table[bucketIndex] = e;
// 调用元素的addBrefore方法，将元素加入到哈希、双向链接列表。
e.addBefore(header);
size++;
}
private void addBefore(Entry<K,V> existingEntry) {
after = existingEntry;
before = existingEntry.before;
before.after = this;
after.before = this;
}
读取
LinkedHashMap 重写了父类 HashMap 的 get 方法，实际在调用父类 getEntry() 方法取得查找的元素后，再判断当排序模式 accessOrder 为 true 时，记录访问顺序，将最新访问的元素添加到双向链表的表头，并从原来的位置删除。由于的链表的增加、删除操作是常量级的，故并不会带来性能的损失。
public V get(Object key) {
// 调用父类HashMap的getEntry()方法，取得要查找的元素。
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)getEntry(key);
if (e == null)
return null;
// 记录访问顺序。
e.recordAccess(this);
return e.value;
}
public void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
LinkedHashMap<K,V> lm = (LinkedHashMap<K,V>)m;
// 如果定义了LinkedHashMap的迭代顺序为访问顺序，
// 则删除以前位置上的元素，并将最新访问的元素添加到链表表头。
if (lm.accessOrder) {
lm.modCount++;
remove();
addBefore(lm.header);
}
}
/**
* Removes this entry from the linked list.
*/
private void remove() {
before.after = after;
after.before = before;
}
/**clear链表，设置header为初始状态*/
public void clear() {
super.clear();
header.before = header.after = header;
}
排序模式
LinkedHashMap 定义了排序模式 accessOrder，该属性为 boolean 型变量，对于访问顺序，为 true；对于插入顺序，则为 false。一般情况下，不必指定排序模式，其迭代顺序即为默认为插入顺序。
这些构造方法都会默认指定排序模式为插入顺序。如果你想构造一个 LinkedHashMap，并打算按从近期访问最少到近期访问最多的顺序（即访问顺序）来保存元素，那么请使用下面的构造方法构造 LinkedHashMap：public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)
该哈希映射的迭代顺序就是最后访问其条目的顺序，这种映射很适合构建 LRU 缓存。LinkedHashMap 提供了 removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) 方法。该方法可以提供在每次添加新条目时移除最旧条目的实现程序，默认返回 false，这样，此映射的行为将类似于正常映射，即永远不能移除最旧的元素。
我们会在后面的文章中详细介绍关于如何用 LinkedHashMap 构建 LRU 缓存。
总结
其实 LinkedHashMap 几乎和 HashMap 一样：从技术上来说，不同的是它定义了一个 Entry<K,V> header，这个 header 不是放在 Table 里，它是额外独立出来的。LinkedHashMap 通过继承 hashMap 中的 Entry<K,V>,并添加两个属性 Entry<K,V> before,after,和 header 结合起来组成一个双向链表，来实现按插入顺序或访问顺序排序。
在写关于 LinkedHashMap 的过程中，记起来之前面试的过程中遇到的一个问题，也是问我 Map 的哪种实现可以做到按照插入顺序进行迭代？当时脑子是突然短路的，但现在想想，也只能怪自己对这个知识点还是掌握的不够扎实，所以又从头认真的把代码看了一遍。
不过，我的建议是，大家首先首先需要记住的是：LinkedHashMap 能够做到按照插入顺序或者访问顺序进行迭代，这样在我们以后的开发中遇到相似的问题，才能想到用 LinkedHashMap 来解决，否则就算对其内部结构非常了解，不去使用也是没有什么用的。
LinkedHashSet 的实现原理
LinkedHashSet 概述
思考了好久，到底要不要总结 LinkedHashSet 的内容 = = 我在之前的博文中，分别写了 HashMap 和 HashSet，然后我们可以看到 HashSet 的方法基本上都是基于 HashMap 来实现的，说白了，HashSet内部的数据结构就是一个 HashMap，其方法的内部几乎就是在调用 HashMap 的方法。
LinkedHashSet 首先我们需要知道的是它是一个 Set 的实现，所以它其中存的肯定不是键值对，而是值。此实现与 HashSet 的不同之处在于，LinkedHashSet 维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。此链接列表定义了迭代顺序，该迭代顺序可为插入顺序或是访问顺序。
看到上面的介绍，是不是感觉其与 HashMap 和 LinkedHashMap 的关系很像？
注意，此实现不是同步的。如果多个线程同时访问链接的哈希Set，而其中至少一个线程修改了该 Set，则它必须保持外部同步。
小 Demo
在LinkedHashMap的实现原理中，通过例子演示了 HashMap 和 LinkedHashMap 的区别。举一反三，我们现在学习的Link
以上是关于Java 容器源码分析之Map-Set-List的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Android Gems — Java源码分析之HashMap和SparseArray