Java集合深度解析之HashMap

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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集合深度解析之HashMap相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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HashMap简介


HashMap是基于哈希表实现的,每一个元素是一个key-value对,其内部通过单链表解决冲突问题,容量不足(超过了阀值)时,同样会自动增长。



HashMap是非线程安全的,只是用于单线程环境下,多线程环境下可以采用concurrent并发包下的concurrentHashMap。


HashMap 实现了Serializable接口,因此它支持序列化,实现了Cloneable接口,能被克隆。



HashMap源码剖析


HashMap的源码如下(加入了比较详细的注释):

package java.util;

import java.io.*;

public class HashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> implements Map<K, V>,
       Cloneable, Serializable
{

   // 默认的初始容量(容量为HashMap中槽的数目)是16,且实际容量必须是2的整数次幂。
   static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

   // 最大容量(必须是2的幂且小于2的30次方,传入容量过大将被这个值替换)
   static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

   // 默认加载因子为0.75
   static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

   // 存储数据的Entry数组,长度是2的幂。
   // HashMap采用链表法解决冲突,每一个Entry本质上是一个单向链表
   transient Entry[] table;

   // HashMap的底层数组中已用槽的数量
   transient int size;

   // HashMap的阈值,用于判断是否需要调整HashMap的容量(threshold = 容量*加载因子)
   int threshold;

   // 加载因子实际大小
   final float loadFactor;

   // HashMap被改变的次数
   transient volatile int modCount;

   // 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
   public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
       if (initialCapacity < 0)
           throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
                   + initialCapacity);
       // HashMap的最大容量只能是MAXIMUM_CAPACITY
       if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
           initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
       // 加载因此不能小于0
       if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
           throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
                   + loadFactor);

       // 找出“大于initialCapacity”的最小的2的幂
       int capacity = 1;
       while (capacity < initialCapacity)
           capacity <<= 1;

       // 设置“加载因子”
       this.loadFactor = loadFactor;
       // 设置“HashMap阈值”,当HashMap中存储数据的数量达到threshold时,就需要将HashMap的容量加倍。
       threshold = (int) (capacity * loadFactor);
       // 创建Entry数组,用来保存数据
       table = new Entry[capacity];
       init();
   }

   // 指定“容量大小”的构造函数
   public HashMap(int initialCapacity) {
       this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
   }

   // 默认构造函数。
   public HashMap() {
       // 设置“加载因子”为默认加载因子0.75
       this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
       // 设置“HashMap阈值”,当HashMap中存储数据的数量达到threshold时,就需要将HashMap的容量加倍。
       threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
       // 创建Entry数组,用来保存数据
       table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
       init();
   }

   // 包含“子Map”的构造函数
   public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
       this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
               DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
       // 将m中的全部元素逐个添加到HashMap中
       putAllForCreate(m);
   }

   // 求hash值的方法,重新计算hash值
   static int hash(int h) {
       h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
       return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
   }

   // 返回h在数组中的索引值,这里用&代替取模,旨在提升效率
   // h & (length-1)保证返回值的小于length
   static int indexFor(int h, int length) {
       return h & (length - 1);
   }

   public int size() {
       return size;
   }

   public boolean isEmpty() {
       return size == 0;
   }

   // 获取key对应的value
   public V get(Object key) {
       if (key == null)
           return getForNullKey();
       // 获取key的hash值
       int hash = hash(key.hashCode());
       // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
       for (Entry<K, V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
           Object k;
           // 判断key是否相同
           if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
               return e.value;
       }
       // 没找到则返回null
       return null;
   }

   // 获取“key为null”的元素的值
   // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,但不一定是该链表的第一个位置!
   private V getForNullKey() {
       for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
           if (e.key == null)
               return e.value;
       }
       return null;
   }

   // HashMap是否包含key
   public boolean containsKey(Object key) {
       return getEntry(key) != null;
   }

   // 返回“键为key”的键值对
   final Entry<K, V> getEntry(Object key) {
       // 获取哈希值
       // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,“key不为null”的则调用hash()计算哈希值
       int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
       // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
       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;
   }

   // 将“key-value”添加到HashMap中
   public V put(K key, V value) {
       // 若“key为null”,则将该键值对添加到table[0]中。
       if (key == null)
           return putForNullKey(value);
       // 若“key不为null”,则计算该key的哈希值,然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
       int hash = hash(key.hashCode());
       int i = indexFor(hash, table.length);
       for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
           Object k;
           // 若“该key”对应的键值对已经存在,则用新的value取代旧的value。然后退出!
           if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
               V oldValue = e.value;
               e.value = value;
               e.recordAccess(this);
               return oldValue;
           }
       }

       // 若“该key”对应的键值对不存在,则将“key-value”添加到table中
       modCount++;
       // 将key-value添加到table[i]处
       addEntry(hash, key, value, i);
       return null;
   }

   // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置
   private V putForNullKey(V value) {
       for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
           if (e.key == null) {
               V oldValue = e.value;
               e.value = value;
               e.recordAccess(this);
               return oldValue;
           }
       }
       // 如果没有存在key为null的键值对,则直接题阿见到table[0]处!
       modCount++;
       addEntry(0, null, value, 0);
       return null;
   }

   // 创建HashMap对应的“添加方法”,
   // 它和put()不同。putForCreate()是内部方法,它被构造函数等调用,用来创建HashMap
   // 而put()是对外提供的往HashMap中添加元素的方法。
   private void putForCreate(K key, V value) {
       int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
       int i = indexFor(hash, table.length);

       // 若该HashMap表中存在“键值等于key”的元素,则替换该元素的value值
       for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
           Object k;
           if (e.hash == hash
                   && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
               e.value = value;
               return;
           }
       }

       // 若该HashMap表中不存在“键值等于key”的元素,则将该key-value添加到HashMap中
       createEntry(hash, key, value, i);
   }

   // 将“m”中的全部元素都添加到HashMap中。
   // 该方法被内部的构造HashMap的方法所调用。
   private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
       // 利用迭代器将元素逐个添加到HashMap中
       for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m
               .entrySet().iterator(); i.hasNext();) {
           Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
           putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
       }
   }

   // 重新调整HashMap的大小,newCapacity是调整后的容量
   void resize(int newCapacity) {
       Entry[] oldTable = table;
       int oldCapacity = oldTable.length;
       // 如果就容量已经达到了最大值,则不能再扩容,直接返回
       if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
           threshold = Integer.MAX_VALUE;
           return;
       }

       // 新建一个HashMap,将“旧HashMap”的全部元素添加到“新HashMap”中,
       // 然后,将“新HashMap”赋值给“旧HashMap”。
       Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
       transfer(newTable);
       table = newTable;
       threshold = (int) (newCapacity * loadFactor);
   }

   // 将HashMap中的全部元素都添加到newTable中
   void transfer(Entry[] newTable) {
       Entry[] src = table;
       int newCapacity = newTable.length;
       for (int j = 0; j < src.length; j++) {
           Entry<K, V> e = src[j];
           if (e != null) {
               src[j] = null;
               do {
                   Entry<K, V> next = e.next;
                   int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                   e.next = newTable[i];
                   newTable[i] = e;
                   e = next;
               } while (e != null);
           }
       }
   }

   // 将"m"的全部元素都添加到HashMap中
   public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
       // 有效性判断
       int numKeysToBeAdded = m.size();
       if (numKeysToBeAdded == 0)
           return;

       // 计算容量是否足够,
       // 若“当前阀值容量 < 需要的容量”,则将容量x2。
       if (numKeysToBeAdded > threshold) {
           int targetCapacity = (int) (numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
           if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
               targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
           int newCapacity = table.length;
           while (newCapacity < targetCapacity)
               newCapacity <<= 1;
           if (newCapacity > table.length)
               resize(newCapacity);
       }

       // 通过迭代器,将“m”中的元素逐个添加到HashMap中。
       for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m
               .entrySet().iterator(); i.hasNext();) {
           Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
           put(e.getKey(), e.getValue());
       }
   }

   // 删除“键为key”元素
   public V remove(Object key) {
       Entry<K, V> e = removeEntryForKey(key);
       return (e == null ? null : e.value);
   }

   // 删除“键为key”的元素
   final Entry<K, V> removeEntryForKey(Object key) {
       // 获取哈希值。若key为null,则哈希值为0;否则调用hash()进行计算
       int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
       int i = indexFor(hash, table.length);
       Entry<K, V> prev = table[i];
       Entry<K, V> e = prev;

       // 删除链表中“键为key”的元素
       // 本质是“删除单向链表中的节点”
       while (e != null) {
           Entry<K, V> next = e.next;
           Object k;
           if (e.hash == hash
                   && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
               modCount++;
               size--;
               if (prev == e)
                   table[i] = next;
               else
                   prev.next = next;
               e.recordRemoval(this);
               return e;
           }
           prev = e;
           e = next;
       }

       return e;
   }

   // 删除“键值对”
   final Entry<K, V> removeMapping(Object o) {
       if (!(o instanceof Map.Entry))
           return null;

       Map.Entry<K, V> entry = (Map.Entry<K, V>) o;
       Object key = entry.getKey();
       int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
       int i = indexFor(hash, table.length);
       Entry<K, V> prev = table[i];
       Entry<K, V> e = prev;

       // 删除链表中的“键值对e”
       // 本质是“删除单向链表中的节点”
       while (e != null) {
           Entry<K, V> next = e.next;
           if (e.hash == hash && e.equals(entry)) {
               modCount++;
               size--;
               if (prev == e)
                   table[i] = next;
               else
                   prev.next = next;
               e.recordRemoval(this);
               return e;
           }
           prev = e;
           e = next;
       }

       return e;
   }

   // 清空HashMap,将所有的元素设为null
   public void clear() {
       modCount++;
       Entry[] tab = table;
       for (int i = 0; i < tab.length; i++)
           tab[i] = null;
       size = 0;
   }

   // 是否包含“值为value”的元素
   public boolean containsValue(Object value) {
       // 若“value为null”,则调用containsNullValue()查找
       if (value == null)
           return containsNullValue();

       // 若“value不为null”,则查找HashMap中是否有值为value的节点。
       Entry[] tab = table;
       for (int i = 0; i < tab.length; i++)
           for (Entry e = tab[i]; e != null; e = e.next)
               if (value.equals(e.value))
                   return true;
       return false;
   }

   // 是否包含null值
   private boolean containsNullValue() {
       Entry[] tab = table;
       for (int i = 0; i < tab.length; i++)
           for (Entry e = tab[i]; e != null; e = e.next)
               if (e.value == null)
                   return true;
       return false;
   }

   // 克隆一个HashMap,并返回Object对象
   public Object clone() {
       HashMap<K, V> result = null;
       try {
           result = (HashMap<K, V>) super.clone();
       } catch (CloneNotSupportedException e) {
           // assert false;
       }
       result.table = new Entry[table.length];
       result.entrySet = null;
       result.modCount = 0;
       result.size = 0;
       result.init();
       // 调用putAllForCreate()将全部元素添加到HashMap中
       result.putAllForCreate(this);

       return result;
   }

   // Entry是单向链表。
   // 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。
   // 它实现了Map.Entry 接口,即实现getKey(), getValue(), setValue(V value),
   // equals(Object o), hashCode()这些函数
   static class Entry<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
       final K key;
       V value;
       // 指向下一个节点
       Entry<K, V> next;
       final int hash;

       // 构造函数。
       // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"
       Entry(int h, K k, V v, Entry<K, V> n) {
           value = v;
           next = n;
           key = k;
           hash = h;
       }

       public final K getKey() {
           return key;
       }

       public final V getValue() {
           return value;
       }

       public final V setValue(V newValue) {
           V oldValue = value;
           value = newValue;
           return oldValue;
       }

       // 判断两个Entry是否相等
       // 若两个Entry的“key”和“value”都相等,则返回true。
       // 否则,返回false
       public final boolean equals(Object o) {
           if (!(o instanceof Map.Entry))
               return false;
           Map.Entry e = (Map.Entry) o;
           Object k1 = getKey();
           Object k2 = e.getKey();
           if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
               Object v1 = getValue();
               Object v2 = e.getValue();
               if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                   return true;
           }
           return false;
       }

       // 实现hashCode()
       public final int hashCode() {
           return (key == null ? 0 : key.hashCode())
                   ^ (value == null ? 0 : value.hashCode());
       }

       public final String toString() {
           return getKey() + "=" + getValue();
       }

       // 当向HashMap中添加元素时,绘调用recordAccess()。
       // 这里不做任何处理
       void recordAccess(HashMap<K, V> m) {
       }

       // 当从HashMap中删除元素时,绘调用recordRemoval()。
       // 这里不做任何处理
       void recordRemoval(HashMap<K, V> m) {
       }
   }

   // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置,bucketIndex是位置索引。
   void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
       // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
       Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
       // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,
       // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
       table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
       // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”,则调整HashMap的大小
       if (size++ >= threshold)
           resize(2 * table.length);
   }

   // 创建Entry。将“key-value”插入指定位置。
   void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
       // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中
       Entry<K, V> e = table[bucketIndex];
       // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,
       // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”
       table[bucketIndex] = new Entry<K, V>(hash, key, value, e);
       size++;
   }

   // HashIterator是HashMap迭代器的抽象出来的父类,实现了公共了函数。
   // 它包含“key迭代器(KeyIterator)”、“Value迭代器(ValueIterator)”和“Entry迭代器(EntryIterator)”3个子类。
   private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
       // 下一个元素
       Entry<K, V> next;
       // expectedModCount用于实现fast-fail机制。
       int expectedModCount;
       // 当前索引
       int index;
       // 当前元素
       Entry<K, V> current;

       HashIterator() {
           expectedModCount = modCount;
           if (size > 0) { // advance to first entry
               Entry[] t = table;
               // 将next指向table中第一个不为null的元素。
               // 这里利用了index的初始值为0,从0开始依次向后遍历,直到找到不为null的元素就退出循环。
               while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                   ;
           }
       }

       public final boolean hasNext() {
           return next != null;
       }

       // 获取下一个元素
       final Entry<K, V> nextEntry() {
           if (modCount != expectedModCount)
               throw new ConcurrentModificationException();
           Entry<K, V> e = next;
           if (e == null)
               throw new NoSuchElementException();

           // 注意!!!
           // 一个Entry就是一个单向链表
           // 若该Entry的下一个节点不为空,就将next指向下一个节点;
           // 否则,将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
           if ((next = e.next) == null) {
               Entry[] t = table;
               while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                   ;
           }
           current = e;
           return e;
       }

       // 删除当前元素
       public void remove() {
           if (current == null)
               throw new IllegalStateException();
           if (modCount != expectedModCount)
               throw new ConcurrentModificationException();
           Object k = current.key;
           current = null;
           HashMap.this.removeEntryForKey(k);
           expectedModCount = modCount;
       }

   }

   // value的迭代器
   private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
       public V next() {
           return nextEntry().value;
       }
   }

   // key的迭代器
   private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
       public K next() {
           return nextEntry().getKey();
       }
   }

   // Entry的迭代器
   private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K, V>> {
       public Map.Entry<K, V> next() {
           return nextEntry();
       }
   }

   // 返回一个“key迭代器”
   Iterator<K> newKeyIterator() {
       return new KeyIterator();
   }

   // 返回一个“value迭代器”
   Iterator<V> newValueIterator() {
       return new ValueIterator();
   }

   // 返回一个“entry迭代器”
   Iterator<Map.Entry<K, V>> newEntryIterator() {
       return new EntryIterator();
   }

   // HashMap的Entry对应的集合
   private transient Set<Map.Entry<K, V>> entrySet = null;

   // 返回“key的集合”,实际上返回一个“KeySet对象”
   public Set<K> keySet() {
       Set<K> ks = keySet;
       return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
   }

   // Key对应的集合
   // KeySet继承于AbstractSet,说明该集合中没有重复的Key。
   private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
       public Iterator<K> iterator() {
           return newKeyIterator();
       }

       public int size() {
           return size;
       }

       public boolean contains(Object o) {
           return containsKey(o);
       }

       public boolean remove(Object o) {
           return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
       }

       public void clear() {
           HashMap.this.clear();
       }
   }

   // 返回“value集合”,实际上返回的是一个Values对象
   public Collection<V> values() {
       Collection<V> vs = values;
       return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
   }

   // “value集合”
   // Values继承于AbstractCollection,不同于“KeySet继承于AbstractSet”,
   // Values中的元素能够重复。因为不同的key可以指向相同的value。
   private final class Values extends AbstractCollection<V> {
       public Iterator<V> iterator() {
           return newValueIterator();
       }

       public int size() {
           return size;
       }

       public boolean contains(Object o) {
           return containsValue(o);
       }

       public void clear() {
           HashMap.this.clear();
       }
   }

   // 返回“HashMap的Entry集合”
   public Set<Map.Entry<K, V>> entrySet() {
       return entrySet0();
   }

   // 返回“HashMap的Entry集合”,它实际是返回一个EntrySet对象
   private Set<Map.Entry<K, V>> entrySet0() {
       Set<Map.Entry<K, V>> es = entrySet;
       return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
   }

   // EntrySet对应的集合
   // EntrySet继承于AbstractSet,说明该集合中没有重复的EntrySet。
   private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K, V>> {
       public Iterator<Map.Entry<K, V>> iterator() {
           return newEntryIterator();
       }

       public boolean contains(Object o) {
           if (!(o instanceof Map.Entry))
               return false;
           Map.Entry<K, V> e = (Map.Entry<K, V>) o;
           Entry<K, V> candidate = getEntry(e.getKey());
           return candidate != null && candidate.equals(e);
       }

       public boolean remove(Object o) {
           return removeMapping(o) != null;
       }

       public int size() {
           return size;
       }

       public void clear() {
           HashMap.this.clear();
       }
   }

   // java.io.Serializable的写入函数
   // 将HashMap的“总的容量,实际容量,所有的Entry”都写入到输出流中
   private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws IOException {
       Iterator<Map.Entry<K, V>> i = (size > 0) ? entrySet0().iterator()
               : null;

       // Write out the threshold, loadfactor, and any hidden stuff
       s.defaultWriteObject();

       // Write out number of buckets
       s.writeInt(table.length);

       // Write out size (number of Mappings)
       s.writeInt(size);

       // Write out keys and values (alternating)
       if (i != null) {
           while (i.hasNext()) {
               Map.Entry<K, V> e = i.next();
               s.writeObject(e.getKey());
               s.writeObject(e.getValue());
           }
       }
   }

   private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

   // java.io.Serializable的读取函数:根据写入方式读出
   // 将HashMap的“总的容量,实际容量,所有的Entry”依次读出
   private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws IOException,
           ClassNotFoundException
{
       // Read in the threshold, loadfactor, and any hidden stuff
       s.defaultReadObject();

       // Read in number of buckets and allocate the bucket array;
       int numBuckets = s.readInt();
       table = new Entry[numBuckets];

       init(); // Give subclass a chance to do its thing.

       // Read in size (number of Mappings)
       int size = s.readInt();

       // Read the keys and values, and put the mappings in the HashMap
       for (int i = 0; i < size; i++) {
           K key = (K) s.readObject();
           V value = (V) s.readObject();
           putForCreate(key, value);
       }
   }

   // 返回“HashMap总的容量”
   int capacity() {
       return table.length;
   }

   // 返回“HashMap的加载因子”
   float loadFactor() {
       return loadFactor;
   }
}


几点总结


1、首先要清楚HashMap的存储结构,如下图所示:


Java集合深度解析之HashMap


图中,紫色部分即代表哈希表,也称为哈希数组,数组的每个元素都是一个单链表的头节点,链表是用来解决冲突的,如果不同的key映射到了数组的同一位置处,就将其放入单链表中。


2、首先看链表中节点的数据结构:

// Entry是单向链表。    
// 它是 “HashMap链式存储法”对应的链表。    
// 它实现了Map.Entry 接口,即实现getKey(), getValue(), setValue(V value), equals(Object o), hashCode()这些函数    
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {    
   final K key;    
   V value;    
   // 指向下一个节点    
   Entry<K,V> next;    
   final int hash;    

   // 构造函数。    
   // 输入参数包括"哈希值(h)", "键(k)", "值(v)", "下一节点(n)"    
   Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {    
       value = v;    
       next = n;    
       key = k;    
       hash = h;    
   }    

   public final K getKey() {    
       return key;    
   }    

   public final V getValue() {    
       return value;    
   }    

   public final V setValue(V newValue) {    
       V oldValue = value;    
       value = newValue;    
       return oldValue;    
   }    

   // 判断两个Entry是否相等    
   // 若两个Entry的“key”和“value”都相等,则返回true。    
   // 否则,返回false    
   public final boolean equals(Object o) {    
       if (!(o instanceof Map.Entry))    
           return false;    
       Map.Entry e = (Map.Entry)o;    
       Object k1 = getKey();    
       Object k2 = e.getKey();    
       if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {    
           Object v1 = getValue();    
           Object v2 = e.getValue();    
           if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))    
               return true;    
       }    
       return false;    
   }    

   // 实现hashCode()    
   public final int hashCode() {    
       return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^    
              (value==null ? 0 : value.hashCode());    
   }    

   public final String toString() {    
       return getKey() + "=" + getValue();    
   }    

   // 当向HashMap中添加元素时,绘调用recordAccess()。    
   // 这里不做任何处理    
   void recordAccess(HashMap<K,V> m) {    
   }    

   // 当从HashMap中删除元素时,绘调用recordRemoval()。    
   // 这里不做任何处理    
   void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {    
   }    
}  



它的结构元素除了key、value、hash外,还有next,next指向下一个节点。另外,这里覆写了equals和hashCode方法来保证键值对的独一无二。


3、HashMap共有四个构造方法。构造方法中提到了两个很重要的参数:初始容量和加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数


  • 其中容量表示哈希表中槽的数量(即哈希数组的长度),初始容量是创建哈希表时的容量(从构造函数中可以看出,如果不指明,则默认为16),加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度,当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时,则要对该哈希表进行 resize 操作(即扩容)。


  • 加载因子 如果加载因子越大,对空间的利用更充分,但是查找效率会降低(链表长度会越来越长);如果加载因子太小,那么表中的数据将过于稀疏(很多空间还没用,就开始扩容了),对空间造成严重浪费。如果我们在构造方法中不指定,则系统默认

    加载因子为0.75,这是一个比较理想的值,一般情况下我们是无需修改的。


  • 另外,无论我们指定的容量为多少,构造方法都会将实际容量设为不小于指定容量的2的次方的一个数,且最大值不能超过2的30次方


4、HashMap中key和value都允许为null。


5、要重点分析下HashMap中用的最多的两个方法put和get。先从比较简单的get方法着手,源码如下:


// 获取key对应的value    
public V get(Object key) {    
   if (key == null)    
       return getForNullKey();    
   // 获取key的hash值    
   int hash = hash(key.hashCode());    
   // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素    
   for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];    
        e != null;    
        e = e.next) {    
       Object k;    
/判断key是否相同  
       if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))    
           return e.value;    
   }  
没找到则返回null  
   return null;    
}    

// 获取“key为null”的元素的值    
// HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,但不一定是该链表的第一个位置!    
private V getForNullKey() {    
   for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {    
       if (e.key == null)    
           return e.value;    
   }    
   return null;    
}


首先,如果key为null,则直接从哈希表的第一个位置table[0]对应的链表上查找。记住,key为null的键值对永远都放在以table[0]为头结点的链表中,当然不一定是存放在头结点table[0]中。
如果key不为null,则先求的key的hash值,根据hash值找到在table中的索引,在该索引对应的单链表中查找是否有键值对的key与目标key相等,有就返回对应的value,没有则返回null。


put方法稍微复杂些,代码如下:


public V put(K key, V value) {
 // 若“key为null”,则将该键值对添加到table[0]中。
 if (key == null)
   return putForNullKey(value);
 // 若“key不为null”,则计算该key的哈希值,然后将其添加到该哈希值对应的链表中。
 int hash = hash(key.hashCode());
 int i = indexFor(hash, table.length);
 for (Entry<K, V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
   Object k;
   // 若“该key”对应的键值对已经存在,则用新的value取代旧的value。然后退出!
   if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
     V oldValue = e.value;
     e.value = value;
     e.recordAccess(this);
     return oldValue;
   }
 }

 // 若“该key”对应的键值对不存在,则将“key-value”添加到table中
 modCount++;
 // 将key-value添加到table[i]处
 addEntry(hash, key, value, i);
 return null;
}


如果key为null,则将其添加到table[0]对应的链表中,putForNullKey的源码如下:


    // putForNullKey()的作用是将“key为null”键值对添加到table[0]位置    
   private V putForNullKey(V value) {    
       for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {    
           if (e.key == null) {    
               V oldValue = e.value;    
               e.value = value;    
               e.recordAccess(this);    
               return oldValue;    
           }    
       }    
       // 如果没有存在key为null的键值对,则直接题阿见到table[0]处!    
       modCount++;    
       addEntry(0, null, value, 0);    
       return null;    
   }  


如果key不为null,则同样先求出key的hash值,根据hash值得出在table中的索引,而后遍历对应的单链表,如果单链表中存在与目标key相等的键值对,则将新的value覆盖旧的value,比将旧的value返回,如果找不到与目标key相等的键值对,或者该单链表为空,则将该键值对插入到改单链表的头结点位置(每次新插入的节点都是放在头结点的位置),该操作是有addEntry方法实现的,它的源码如下:


    // 新增Entry。将“key-value”插入指定位置,bucketIndex是位置索引。    
   void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {    
       // 保存“bucketIndex”位置的值到“e”中    
       Entry<K,V> e = table[bucketIndex];    
       // 设置“bucketIndex”位置的元素为“新Entry”,    
       // 设置“e”为“新Entry的下一个节点”    
       table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);    
       // 若HashMap的实际大小 不小于 “阈值”,则调整HashMap的大小    
       if (size++ >= threshold)    
           resize(2 * table.length);    
   }    


注意这里倒数第三行的构造方法,将key-value键值对赋给table[bucketIndex],并将其next指向元素e,这便将key-value放到了头结点中,并将之前的头结点接在了它的后面。该方法也说明,每次put键值对的时候,总是将新的该键值对放在table[bucketIndex]处(即头结点处)。

两外注意最后两行代码,每次加入键值对时,都要判断当前已用的槽的数目是否大于等于阀值(容量*加载因子),如果大于等于,则进行扩容,将容量扩为原来容量的2倍。


6、关于扩容。上面我们看到了扩容的方法,


  • resize方法,它的源码如下:

    // 重新调整HashMap的大小,newCapacity是调整后的单位    
   void resize(int newCapacity) {    
       Entry[] oldTable = table;    
       int oldCapacity = oldTable.length;    
       if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {    
           threshold = Integer.MAX_VALUE;    
           return;    
       }    

       // 新建一个HashMap,将“旧HashMap”的全部元素添加到“新HashMap”中,    
       // 然后,将“新HashMap”赋值给“旧HashMap”。    
       Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];    
       transfer(newTable);    
       table = newTable;    
       threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);    
   }    


很明显,是新建了一个HashMap的底层数组,而后调用transfer方法,将就HashMap的全部元素添加到新的HashMap中(要重新计算元素在新的数组中的索引位置)。


  • transfer方法的源码如下:

// 将HashMap中的全部元素都添加到newTable中    
void transfer(Entry[] newTable) {    
   Entry[] src = table;    
   int newCapacity = newTable.length;    
   for (int j = 0; j < src.length; j++) {    
       Entry<K,V> e = src[j];    
       if (e != null) {    
           src[j] = null;    
           do {    
               Entry<K,V> next = e.next;    
               int i = indexFor(e.hash, newCapacity);    
               e.next = newTable[i];    
               newTable[i] = e;    
               e = next;    
           } while (e != null);    
       }    
   }    
}  


很明显,扩容是一个相当耗时的操作,因为它需要重新计算这些元素在新的数组中的位置并进行复制处理。因此,我们在用HashMap的时,最好能提前预估下HashMap中元素的个数,这样有助于提高HashMap的性能。


7、注意containsKey方法和containsValue方法。前者直接可以通过key的哈希值将搜索范围定位到指定索引对应的链表,而后者要对哈希数组的每个链表进行搜索。


8、我们重点来分析下求hash值和索引值的方法,这两个方法便是HashMap设计的最为核心的部分,二者结合能保证哈希表中的元素尽可能均匀地散列。


  • 计算哈希值的方法如下:

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


它只是一个数学公式,IDK这样设计对hash值的计算,自然有它的好处,至于为什么这样设计,我们这里不去追究,只要明白一点,用的位的操作使hash值的计算效率很高。


  • 由hash值找到对应索引的方法如下

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


这个我们要重点说下,我们一般对哈希表的散列很自然地会想到用hash值对length取模(即除法散列法),Hashtable中也是这样实现的,这种方法基本能保证元素在哈希表中散列的比较均匀,但取模会用到除法运算,效率很低,HashMap中则通过h&(length-1)的方法来代替取模,同样实现了均匀的散列,但效率要高很多,这也是HashMap对Hashtable的一个改进。

接下来,我们分析下为什么哈希表的容量一定要是2的整数次幂。

  • 首先,length为2的整数次幂的话,h&(length-1)就相当于对length取模,这样便保证了散列的均匀,同时也提升了效率;

  • 其次,length为2的整数次幂的话,为偶数,这样length-1为奇数,奇数的最后一位是1,这样便保证了h&(length-1)的最后一位可能为0,也可能为1(这取决于h的值),即与后的结果可能为偶数,也可能为奇数,这样便可以保证散列的均匀性,而如果length为奇数的话,很明显length-1为偶数,它的最后一位是0,这样h&(length-1)的最后一位肯定为0,即只能为偶数,这样任何hash值都只会被散列到数组的偶数下标位置上,这便浪费了近一半的空间,因此,length取2的整数次幂,是为了使不同hash值发生碰撞的概率较小,这样就能使元素在哈希表中均匀地散列



原链: http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/36034955


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以上是关于Java集合深度解析之HashMap的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Java中的容器(集合)之HashMap源码解析

HashMap深度解析

Java入门系列之集合HashMap源码分析(十四)

Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

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