HashMap
Posted ericguoxiaofeng
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了HashMap相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、关于哈希表：
在讨论哈希表之前，我们先大概了解下其他数据结构在新增，查找等基础操作执行性能
数组：采用一段连续的存储单元来存储数据。对于指定下标的查找，时间复杂度为O(1)；通过给定值进行查找，需要遍历数组，逐一比对给定关键字和数组元素，时间复杂度为O(n)，当然，对于有序数组，则可采用二分查找，插值查找，斐波那契查找等方式，可将查找复杂度提高为O(logn)；对于一般的插入删除操作，涉及到数组元素的移动，其平均复杂度也为O(n)
线性链表：对于链表的新增，删除等操作（在找到指定操作位置后），仅需处理结点间的引用即可，时间复杂度为O(1)，而查找操作需要遍历链表逐一进行比对，复杂度为O(n)
二叉树：对一棵相对平衡的有序二叉树，对其进行插入，查找，删除等操作，平均复杂度均为O(logn)。
哈希表：相比上述几种数据结构，在哈希表中进行添加，删除，查找等操作，性能十分之高，不考虑哈希冲突的情况下，仅需一次定位即可完成，时间复杂度为O(1)，接下来我们就来看看哈希表是如何实现达到惊艳的常数阶O(1)的。
我们知道，数据结构的物理存储结构只有两种：顺序存储结构和链式存储结构（像栈，队列，树，图等是从逻辑结构去抽象的，映射到内存中，也这两种物理组织形式），而在上面我们提到过，在数组中根据下标查找某个元素，一次定位就可以达到，哈希表利用了这种特性，哈希表的主干就是数组。
比如我们要新增或查找某个元素，我们通过把当前元素的关键字 通过某个函数映射到数组中的某个位置，通过数组下标一次定位就可完成操作。
存储位置 = f(关键字)
其中，这个函数f一般称为哈希函数，这个函数的设计好坏会直接影响到哈希表的优劣。举个例子，比如我们要在哈希表中执行插入操作：
查找操作同理，先通过哈希函数计算出实际存储地址，然后从数组中对应地址取出即可。
哈希冲突
然而万事无完美，如果两个不同的元素，通过哈希函数得出的实际存储地址相同怎么办？也就是说，当我们对某个元素进行哈希运算，得到一个存储地址，然后要进行插入的时候，发现已经被其他元素占用了，其实这就是所谓的哈希冲突，也叫哈希碰撞。前面我们提到过，哈希函数的设计至关重要，好的哈希函数会尽可能地保证 计算简单和散列地址分布均匀,但是，我们需要清楚的是，数组是一块连续的固定长度的内存空间，再好的哈希函数也不能保证得到的存储地址绝对不发生冲突。那么哈希冲突如何解决呢？哈希冲突的解决方案有多种:开放定址法（发生冲突，继续寻找下一块未被占用的存储地址），再散列函数法，链地址法，而HashMap即是采用了链地址法，也就是数组+链表的方式。
二、关于hashmap：
HashMap 根据键的 hashCode 值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度，但遍历顺序却是不确定的。 HashMap 最多只允许一条记录的键为 null ，允许多条记录的值为 null 。HashMap 非线程安全，即任一时刻可以有多个线程同时写 HashMap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap 方法使 HashMap 具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap 。
三、源码
备注（一个是乘2；一个是次方）：
4 << 1：表示4*2=8；
1 << 4：表示2的4次方=16；
基本指标：
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 默认初始化容量为16，must be a power of two，详见下面 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 最大容量1G static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // 默认负载因子 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;// 从链表变为红黑树的阈值，当链表长度大于等于8时，由链表转换成红黑树 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 从红黑树变为链表的阈值 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // 当需要将解决 hash 冲突的链表转变为红黑树时，需要判断下此时数组容量，若是由于数组容量太小（小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY ）导致的 hash 冲突太多，则不进行链表转变为红黑树操作，转为利用 resize() 函数对 hashMap 扩容
成员变量：
//比如说，在初始化时，默认的容量是16，那么table的length就是16，其threshold=容量×负载因子=16×0.75=12，这就代表着，当size大于12时，就会进行扩容（容量会×2，threshold会根据新容量重新计算）的操作！ //这样做的目的很明确，就是为了减少哈希冲突！有效元素的个数少于哈希表的总大小时，其产生哈希冲突的可能性一定是小于相等情况的！ transient Node<K,V>[] table; // 真正开辟的空间，其length就是真正的容量大小；真正占用空间（用不用是一回事，先占用先）；map.size()就是指这个； When allocated, length is always a power of two. transient int size; // 真正使用的空间；有效的结点个数；总的键值对的个数； The number of key-value mappings contained in this map. int threshold; // 阈值，大于这个值，扩容；The next size value at which to resize (capacity * load factor)；用来记录当前容量下，最适合存放多少键值对(容量*负载因子) final float loadFactor; // 负载因子，默认0.75 transient int modCount; //用于快速失败，由于HashMap非线程安全，在对HashMap进行迭代时，如果期间其他线程的参与导致HashMap的结构发生变化了（比如put，remove等操作），需要抛出异常ConcurrentModificationException transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; // //由 hashMap 中 Node<K,V> 节点构成的 set
静态工具：
/** * Node<K, V>是一个静态内部类，封装了这个结点的所有信息 */ static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>{ final int hash; // 相对应的hash值，其方法见下 final K key; V value; Node<K,V> next; // 链表中指向下一处的指针；为了解决哈希冲突，当产生哈希冲突时，next就可以指向一张链表，或者一棵黑树！ ...... } /** * 计算其hash值的方法，看不懂 */ static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } /** * 求下标，也就是求： * 当 table.length 满足2的整数次幂时，以下条件成立： * hash & (table.length - 1) == hash % table.length */ hash & (table.length - 1) /** * 方法返回的值是最接近 initialCapacity 的2的幂，若指定初始容量为９，则实际 hashMap 容量为16（还不是很懂） * @param cap * @return */ static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
构造方法（构造器下Capacity都没有初始化进去好似）：
// 赋值阈值以及负载因子初始化 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); } this.loadFactor = loadFactor; // 初始化负载因子 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); // 阈值初始化 } // 默认负载因子为0.75了 public HashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } // 初始化负载因子 // 默认构造器阈值不初始化，没有容量哪里来阈值？？ public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted }
put方法：如果存在Hash碰撞就会以链表的形式保存，把当前传进来的参数生成一个新的节点保存在链表的尾部（JDK1.7保存在首部）。而如果链表的长度大于8那么就会以红黑树的形式进行保存。
public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); } final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { Node<K,V>[] tab; // 这里的tab就是指这个table，只不过不用table罢了 Node<K,V> p; //p就是相对应下标的node值 int n;//指hashMap里面的数组长度 int i;//指hashMap里面的数组下标 // 如果table未初始化或长度为0，则进行初始化（立刻扩容） if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) { n = (tab = resize()).length;//初始化的时候，调用resize()方法，得到hashmap里面的数组长度 } // 如果节点hash值对应的数组位置为空，直接赋值 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) {// i = (n - 1) & hash 求hashmap数组下标并赋值给i，判断相对应的数组节点是否为空 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // 如果为空，直接增加一个节点，很简单 } else { //如果不为空的话 Node<K,V> e; // 对应下标的新的节点的node值 K k;//相对应下标的node值p的key //如果hash值一样，key值也一样（注意，因为hash值一样，key值可能不一样；先对比hash值再对比key值的（因为对比hash值速度更快）），则直接替换 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { e = p; } else if (p instanceof TreeNode) { //判断节点是否为树节点，如果是，则按红黑树的插入方式插入元素 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); } else { //如果不是树节点，则按链表的方式插入元素 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { //下一个节点恒等于空，说明是放进链表的末尾嘛 p.next = newNode(hash, key, value, null); //在末尾放这个node值嘛 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st （实质上，一旦到了这个阈值8，而不是超过，都会转换成红黑树） treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { break; } p = e; } } //改变value值 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) {//注释里：if true, don‘t change existing value，但是put这方方法传过来的是false e.value = value; } afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //如果大于阈值，则扩容 if (++size > threshold) { resize(); } afterNodeInsertion(evict); return null; }
扩容方法resize()（涉及到位移，看不懂，有空再看）：
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table;// 旧数组赋值给oldTab int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;//oldCap是指oldCapacity，是指旧hashmap的数组的长度 int oldThr = threshold;//旧阈值 int newCap; //新数组容量 int newThr = 0;//新容量 if (oldCap > 0) { //table扩容过 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { //如果超过最大容量，就不再扩容，注意threshold = Integer.MAX_VALUE; threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) {// 如果老容量扩大2倍仍不超过最大值，则新容量为原来的2倍 newThr = oldThr << 1; // double threshold } } else if (oldThr > 0) {// initial capacity was placed in threshold；使用带有初始容量的构造器时，table容量为初始化得到的threshold newCap = oldThr; } else { // zero initial threshold signifies using defaults；new HashMap().put("","")：默认构造器走这里 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } if (newThr == 0) { // 默认构造器走这里，因为默认构造器阈值不初始化，没有容量哪里来阈值？？ float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } threshold = newThr; // 终于得到新阈值了啊难得 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; // 根据新阈值得到了一个新的 table = newTab; // 如果一开始是new hashmap()，则不走下面这一步了，因为oldTal为空嘛 if (oldTab != null) { //对新扩容后的table进行赋值 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e;// 相对应的下标值 if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; // 将老数组元素置空，让垃圾回收器回收 if (e.next == null) { // 如果数组元素没有链表，直接添加到新数组 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; } else if (e instanceof TreeNode) { // 如果e是树节点，则按照树结构处理该分支 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); } else { // preserve order 如果e是链表节点，则按照链表结构处理该分支 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; 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); // 原索引放在老位置上 if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } // 新索引放在新位置上 if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
get方法：
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; // table副本 Node<K,V> first; // 相对应下标的那个数组 Node<K,V> e; int n; // table的数组长度 K k; // table一定不能大于0啊，否则就返回空啊 if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { // always check first node 如果hash值一样，而且key值也一样；高度注意：桶中第一项(数组元素)相等（是桶中第一项元素，是第一项）：第一项特别判断，因为链表红黑树不影响 if (first.hash == hash && ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { return first; } // 如果桶中第一个元素不相等，而且同志不止一个元素 if ((e = first.next) != null) { // 如果接下去的是红黑树的呢 if (first instanceof TreeNode) { return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); } // 如果接下去的是链表的呢（明显是遍历链表） do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { return e; } } while ( (e = e.next) != null ); } } return null; }
参考链接：
HashMap实现原理及源码分析：https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6059914.html
深入理解HashMap的扩容机制：https://www.cnblogs.com/yanzige/p/8392142.html（从这里可以了解到，jdk7的扩容标准跟jdk8是不一样的）
以上是关于HashMap的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章