JDK8中HashMap的工作原理剖析

Posted 2021-04-24 我是攻城师

在Java语言里，HashMap无疑是使用频率非常高的一个类，了解它的内部实现将有助于更好的使用它。

在jdk8中的HashMap是由三种数据结构组成：数组 + （ 链表 or 红黑树 ）

图示如下：

而在jdk8之前还只是数组+链表两种数据结构，在这里简单提下数组和链表的区别：

数组

缺点：插入，删除效率低，

链表

缺点：访问效率低O（n）

而哈希表（Hash类数据结构）正是结合了两者的优点，而衍生出来的的一种高效的数据存储结构，本质上是采用空间换时间的方式，提高了读写的效率。

HashMap的继承结构如下：

这里我们能发现HashMap中K，V都是泛型的，所以可以支持任何类型作为key或者value，但实际开发中用的最多的都是以String类型的字符串作为key。

在这里泛型Key的hashCode和equals方法非常重要，因为它们会影响HashMap存储的数据分布和读写是否正确

上面说过HashMap可以看成是一个大的数组，然后每个数组元素的类型是Node类型，源码里定义如下：

注意Node类还有两个子类：TreeNode和Entry

上图中的链表就是Node类，而红黑树正是TreeNode类

接着我们来看下HashMap的一些成员变量：

成员变量主要两部分组成，一部分是处理化时候的常量，一部分是变量会在运行时改变，这里还需要注意的是HashMap本身不是线程安全的，所以尽量避免在多线程环境下使用，如果非要使用，就用线程安全的Map，如下：

此外，HashMap还有几个构造方法：

（1）第一个是默认的构造方法，我们看到只对影响扩容负载因子做了初始化，默认是0.75

（2）第二个和第四个其实是一个方法逻辑，可以传入指定的table数组的大小，负载因子用默认的。

（3）第三个可以传入一个Map集合直接赋值给该map，里面用了putMapEntries方法，这个方法可以理解为迭代传入的Map然后将数据赋值给new的Map

（4）第四个是同时指定初始化table数组的大小和负载因子，中间有一些逻辑判断，这里需要提下tableSizeFor这个方法：

源码如下：

这个方法，保证指定的设置的table数组的长度必须是2的n次方，比如你初始化传入的是5，但是实际运行后你会发现table数组的长度是8，这是因为2的n次方，对于数组的扩容和重新赋值有比较大的好处，所以如果你传入的不是2的n次方，那么经过这个方法出来的值一般都是大于你传入的参数最接近的2的n次方。

下面我们看下HashMap是如何存数据的？

源码中的put方法如下：

这里我们看到put方法里面调用了hash方法，来得到该key的hashCode，那么我们来看下其内部是如何实现的：

这里能看到hash方法并不是直接取的hashCode值，而是用hashCode()的高16位异或低16位实现的，这么做可以保证高低bit位都能参与到Hash的计算中，一句话就是为了减少hash冲突的几率。

然后在putVal方法中，实现数据的插入操作，注意数组的下标的计算方式是：

等价于使用转化后hash值对数组长度取模

但是位运算比模运算效率更高

在putVal插入数据的方法中，第一次会调用扩容方法，此外插入时还会判断该节点是链表还是红黑树，他们分别对应不同的赋值方法，并且如果单个bucket的节点数量大于8，还会将链表转化为红黑树，在插入完成后还会继续判断下一次是否需要扩容。

这里重点介绍下扩容方法：

注意，扩容后的table数组的长度，一定是2的n次方。

最后我们来看下get方法：

可以看到get方法也同样调用了hash方法获取hashCode，接着调用了getNode方法：

HashMap读取的效率：

（1）如果在第一个节点命中，那就是O(1)

（2）如果在红黑树中查询，那就是O(logn)

（3）如果是在链表中查询，那就是O(n)

在这里，我们就会发现红黑树的结构的引入，其实是为了提升检索效率。

注意上面查询过程中还有一个小细节，就是判断key是否null，因为在HashMap中其key和value 都可以允许为null值，有时候你get一个null值出来，可能会有两种情况，那么value就是null， 要么是因为你的key传入的是null，而刚好这个null这个key，对应的value也是null。

演示的代码如下：

总结：

本文对JDK8中的HashMap的工作原理做了一个剖析，并介绍了一些核心的方法和注意事项，通过了解它的内部运行机制，以帮助我们更加合理的在实际开发中使用。

参考文章：

https://www.jianshu.com/p/aa017a3ddc40

https://www.geeksforgeeks.org/internal-working-of-hashmap-java/

https://www.cdn.geeksforgeeks.org/java-util-hashmap-in-java/

https://www.javacodegeeks.com/2017/11/java-hashmap-detail-explanation.html

http://blog.csdn.net/zxt0601/article/details/77413921

http://lingmeng.github.io/archives/