从源码的角度来谈一谈HashMap的内部实现原理

Posted 2021-04-24 java架构

HashMap可以说是我们一个熟悉又陌生的Java中常用的存储数据的API。说他熟悉，是因为我们经常使用他，而说他陌生是因为我们大部分时间是只知道他的使用，而并不知道他内部的原理，但是在面试考察的时候又最喜欢去问这个原理。今天，我就来从源码的角度，谈谈对HashMap的理解。

HashMap概述

hashMap的底层其实是基于一个数组来进行数据的存储和取出。他继承于Map这个接口来实现，通过put和get方法来操作数据的存和取。具体对于hashMap的使用，这里不在具体举例说明，使用起来并不困难。不过在谈到HashMap的内部原理之前，我们需要了解一下几个名称的意思。

1. initialCapacity。 这个翻译为初始化容量。为hashMap的存储的初始化空间的大小，我们可以通过构造方法来指定其大小，也可以不指定采用 默认大小16 。这里需要说明一下，一般来说，容器的大小为2的幂次方。至于为什么会是2的幂次方，具体原因可以参考这篇文章。 为什么hashmap的初始化大小为2的幂次方

2. loadFactor。 加载因子。当hashmap的存储容量达到了一定上限之后，如果还需要进行数据的存储，则会利用加载因子对其进行扩容操作。一般而言，扩容大小为现在容量的0.75倍。举个例子，假设现在的hashMap的初始化大小为16，但是现在由于容量已满又要插入新的元素，所以先进行扩容操作，将容量扩充为16*0.72=12，也就是说扩大了12个容量。

3. threadshold： 扩容阀值。即扩容阀值 = HashMap总容量*加载因子。当hashMap的容量大于或者等于扩容阀值的时候就会去执行扩容。扩容的容量为当前HashMap总容量的两倍。

这里有一张网上找来的图，来说明hashMap内部存储原理。

源码解析

我们在使用hashMap的时候，一般来说都是用put和get方法，所以我们分析源码，就从这两个方法着手分析内部原理。

public V put(K key, V value) {        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }        if (key == null)            return putForNullKey(value);        int hash = sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);        int i = indexFor(hash, table.length);        for (HashMapEntry<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;
    }

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我们先来看看put方法。从代码可以看出，put方法主要做了这么几件事。

1.当我们在将key和value添加进入hashMap的时候，首先其会去判断table是否为空（EMPTY_TABLE）。这里需要说明下，这个table其实是一个数组，我们前面提到过，hashmap内部其实是一个数组来对数据进行存储，所以这个table其实可以写成table[ ]。当判断这个table数组为空的时候，他会去调用infalteTable()方法。而这个方法是做什么的呐，我们在跳进去看看。

private void inflateTable(int toSize) {        // Find a power of 2 >= toSize
        int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize); 
        // android-changed: Replace usage of Math.min() here because this method is
        // called from the <clinit> of runtime, at which point the native libraries
        // needed by Float.* might not be loaded.
        float thresholdFloat = capacity * loadFactor;        if (thresholdFloat > MAXIMUM_CAPACITY + 1) {
            thresholdFloat = MAXIMUM_CAPACITY + 1;
        }
 
        threshold = (int) thresholdFloat;
        table = new HashMapEntry[capacity];
    }

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可以看到，其实这个inflateTable方法是在对hashmap进行初始化容量操作。其初始化容量为capacity * loadFacctor。也就是我们前面说过的 初始化容量 * 加载因子。

2.之后hashmap回去判断你储存的key是否为空， if(key == null) ，如果为空，则调用putForNullKey()方法来进行空key的操作。 这里可以说是hashMap与hashTable的一个最大不同的地方，hashMap允许key为空，他有相应的处理key为空的操作方法，但是hashTable却不能允许key为空，他没有相应的操作方法。

3.之后对key进行一次hashcode的计算并且计算其index。紧接着遍历整个table数组，判断是否有相同的key，如果发现有相同的key，则将key所携带的新的value替换掉之前旧的value，从而确保key的唯一性。之后进行addEntry方法中。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }
 
        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

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我们进入到addEntry方法中查看。发现里面会先对数组需要存储的大小和阀值进行一次比较，如果发现要存储的已经超过了threshold阀值，那么就要调用resize对其进行扩容操作。 扩容的小大为2*table.length。之后从新计算hash，将结果存储到bucket桶里面。

那么resize()方法中又做了那些操作呐？

void resize(int newCapacity) {
        HashMapEntry[] oldTable = table;        int oldCapacity = oldTable.length;        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;            return;
        }
 
        HashMapEntry[] newTable = new HashMapEntry[newCapacity];
        transfer(newTable);        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

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我们可以看到resize里面仅仅只是初始化了一个新的更大的table数组，并且把老的数据从新添加进入了新的table里面去。

最后我们回到creatEntry方法中，查看发现如果在bucket桶内发生了hash的碰撞，则将其转化为链表的形式来进行存储，不过在Java1.8之后会将其变为红黑树的形式存储。在此将put方法源码分析完成。

我们再来看下get()方法。

public V get(Object key) {        if (key == null)            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key); 
        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }

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get方法一开始和put类似，都是先判断key是否为空，如果为空，则调用相应的getForNullKey方法去进行处理。不为空，调用getEntry去进行查找。我们再来看看getEntry里面又做了什么操作。

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {        if (size == 0) {            return null;
        } 
        int hash = (key == null) ? 0 : sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key);        for (HashMapEntry<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;
    }

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我们可以看到，里面也是先对key进行了一次hash操作，之后通过这个hash值来进行查找，如果发现hash值相等，则再通过比较key的值来进行查找，最终找到我们想要的e将其return返回，不然则返回为空，代表找不到此元素。

到此hashMap的整体原理讲解完毕。