HashMap底层源码剖析

Posted 2020-12-20 dcv218

一、HashMap底层用到的数据结构

数组+单向链表+红黑树

　　数组：数组每一项都是一个链表，其实就是数组和链表的结合体

　　单向链表：当法神hash碰撞时，首先会找到数组对应位置，然后1.8采用尾插入法（1.7采用头插入法），形成一个单项链表结构

　　JDK1.8 红黑树：当数组中每项的链表长度大于8时，会转换为红黑树

二、什么是hash碰撞？解决方案？

　　hash碰撞：不同的key可能会产生相同的hash值；

　　方案：链表发，再哈希法；

　　hashMap中采用链表发，在ConcurrentHashMap中采用哈希法；

二、红黑树与二叉树比较

　　二叉查找树在特殊情况下也会变成线性结构，和原来链表有共同的问题，节点太深，查找性能慢；

　　红黑树相比二叉树，在检索的时候效率其实差不多，都是通过平衡来二分查找。但对于插入删除等操效率提高很多。红黑树不像二叉树一样追求绝对的平衡，它允许局部很少的不完全平衡，这样对于效率影响不大，但省去了很多没有必要的调平衡操作，二叉树调平衡有时候代价较大，所以二叉树的效率不如红黑树；

三、为什么采用红黑树

　　在平常我们用HashMap的时候，HashMap里面存储的key是具有良好的hash算法的key（比如String、Integer等包装类），冲突几率自然微乎其微，此时链表几乎不会转化为红黑树，但是当key为我们自定义的对象时，我们可能采用了不好的hash算法，使HashMap中key的冲突率极高，但是这时HashMap为了保证高速的查找效率，就引入了红黑树来优化查询了。

四、为什么临界值为8

　　通过源码我们得知HashMap源码作者通过泊松分布算出，当桶中结点个数为8时，出现的几率是亿分之6的，因此常见的情况是桶中个数小于8的情况，此时链表的查询性能和红黑树相差不多，因为转化为树还需要时间和空间，所以此时没有转化成树的必要。

　　当数据较少的时候，采用链表要比红黑树效率高，因为平衡二叉树保持平衡需要耗费资源，那么前期数据较少时采用链表，当链表中的数据长度大于8时，就将链表转换成红黑树，可以加快数据的插叙速度，官方测试8为性能最优。

五、put()底层分析

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
 
    /**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don‘t change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //判断当前数组是否为空，如果为空要进行第一次扩容
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            //扩容后将扩容大小交给N
            n = (tab = resize()).length;
        //判断获取当前数组位置是否存在数据，如果为空则直接插入，否则需要代表当前位置不是空的，不是空的需要判断
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //如果为空则创建一个新的节点添加到该位置
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            //判断Hash值和Key值是否相同，如果相同则需要Value覆盖
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //判断当前数组中存放的节点是否是树节点，则添加树节点即可
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //循环遍历链表
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //判断当前数组该位置的值得下一个元素是否为空，如果为空则追加到当前元素后边
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //添加完毕后判断当前链表节点有多少个，如果节点大于等于8则转换为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            //treeifyBin判断当前数组是否为空，或者长度是否小于64，如果为空或者小于64，则先扩容
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //再次进行Key的重复判断
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            //表明，记录到具有相同元素的节点
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                //这个是空函数，可以有用户根据需要覆盖
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //判断当前数组元素的个数和阈值进行比较，如果数量大于阈值则需要扩容
        if (++size > threshold)
            //默认情况下，第一次添加数据的时候，先会进行一次扩容后再添加数据，后续都是先添加数据在进行扩容
            resize();
        //这个是空函数，可以有用户根据需要覆盖
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

在上述的方法中，设计三种情况：

　　第一种情况，数组索引位置没有键值对，处理方式就是直接把待添加键值对封装成Node添加到索引位置即可；

　　第二种情况，如果数组索引位置有键值对，而且封装的TreeNode节点，处理方式是调用红黑树的插入方法，把带添加键值对添加到红黑树中；

　　第三种情况，同样数组索引位置有键值对，但是封装的是Node节点，处理方法就比较复杂，首先把待添加键值对封装成Node节点添加到链表尾部，然后判断当前链表长度，如果达到阈值，就判断是扩容还是转换为红黑树；

 

 

六、get()底层分析

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
 
    /**
     * Implements Map.get and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        //判断数组以及数组对应位置数组元素是否为空
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            //用get传递过来的Key值和对应位置第一个元素进行比较，如果相等直接返回，如果不等则进行查找
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            //判断第一个元素的下一个元素是否为空
            if ((e = first.next) != null) {
                //判断当前节点是否为树节点
                if (first instanceof TreeNode)
                    //如果是树节点，直接通过getTreeNode拿到该节点返回
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                //循环一一对比
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

七、扩容机制底层分析

　　在HashMap中，桶数组的长度均是2的幂，阈值大小为桶数组长度与负载因子的乘积。当HashMap中的键值对数量超过阈值时，就进行扩容；

　　扩容之后，要重新计算键值对的位置，并把它们移到合适的位置上去；

    /**
     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
     * accord with initial capacity target held in field threshold.
     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
     * elements from each bin must either stay at same index, or move
     * with a power of two offset in the new table.
     *
     * @return the table
     */
    final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //如果table不为空，表明已经初始化过了
        if (oldCap > 0) {
            //当table容量超过容量最大值，则不再扩容
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            //按旧容量或阈值的2倍计算新容量和阈值大小
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            //初始化时，将threshold的值赋值给newCap;
　　　　　    //HashMap使用threshold变量暂时保存initialCapacity参数的值
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            //调用无参构造方法时，桶数组容量为默认容量；阈值为默认容量与默认负载因子
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        //newThr为0时，按阈值计算公式进行计算
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            //创建新的桶数组，桶数组的初始化也是这里完成的
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            //如果旧的桶数组不为空，则遍历桶数组，并将键值对映射到新的桶数组中
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        //重新映射时，需要对红黑树进行拆分
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                        Node<K,V> next;
                        //遍历链表，并将链表节点按原顺序进行分组
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        //将分组后的链表映射到新桶中
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }   

扩容总共做了三件事：

　　1.计算新桶数组的容量newCap和新阈值newThr

　　2.根据计算出的newCap创建新的桶数组，桶数组table也是这里进行初始化的

　　3.将键值对节点重新映射到新桶数组中，如果节点是TreeNode类型，则需要拆分红黑树；如果是普通节点，则节点按原顺序进行分组