源码HashMap源码及线程非安全分析

Posted 2021-02-09 lfs2640666960

最近工作不是太忙，准备再读读一些源码，想来想去，还是先从JDK的源码读起吧，毕竟很久不去读了，很多东西都生疏了。当然，还是先从炙手可热的HashMap，每次读都会有一些收获。当然，JDK8对HashMap有一次优化。

一、一些参数

我们首先看到的，应该是它的一些基本参数，这对于我们了解HashMap有一定的作用。他们分别是：

参数	说明
capacity	容量，默认为16，最大为2^30
loadFactor	加载因子，默认0.75
threshold	resize的阈值，capacity * loadFactor，元素数量达到这个值后就必须扩容
treeify_threshold	红黑树的阈值，数组中的某个节点下挂的节点数大于这个值之后，节点的数据结构就会从链表变为红黑树

二、重要方法

我们知道，HashMap底层是通过数组+链表来实现的。具体的图网上有很多，我们主要看看几个重要的方法。

2.1 构造方法

他的构造方法，最本质的构造方法是：

 1 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
 2     if (initialCapacity < 0)
 3         throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
 4     if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
 5         initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
 6     if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
 7         throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
 8                                                loadFactor);
 9     this.loadFactor = loadFactor;
10     this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
11 }

 

前面几行就是做一些基本的检查，我们看到，HashMap的最大容量是<u>MAXIMUM_CAPACITY</u>，也就是2^30，我们日常使用时可能达不到这样的容量，但是如果真的需要在Map存储这么多的数据，还是建议存在其他的地方吧。当然，最后一行中时为了计算下一次resize的容量阈值，也就是计算出下一次resize的threshold。

2.2 计算容量

这个方法较简单，直接返回的是一个size的值，这个参数的含义就是当前Map中存储的KV对的数量，而不是整个Map的容量。

1 public int size() {
2     return size;
3 }

 

2.3 put(K,V)

这个方法是HashMap中比较重要的一个方法，我们仔细分析一下。

2.3.1 主入口

首先，方法的入口是这个，也就是我们经常使用的就是这个方法：

1 public V put(K key, V value) {
2     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
3 }

 

我们主要看的，就是put的整个过程。

2.3.2 hash(key)

首先就是对我们传入的key，进行hash计算。

1 static final int hash(Object key) {
2     int h;
3     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
4 }

 

从这个方法，我们可以看到，HashMap的key是可以为null的，如果是null的话，那么我们的hash方法返回的hash值是0。

如果key不是null，那么调用的是HashMap本身的hashCode方法，也就是我们的bean中自定义的hashCode()。不要以为这样就结束了。我们一般来说，一个key的hash值的范围也就是int的范围（从-2147483648到2147483648），但是HashMap的容量是有限的，必须把hash值能够分散到HashMap的数组中去。HashMap为了key在数组中更加分散，还会进行一次计算，也就是我们看到的第二行的方法。具体这块是如何分配均匀的，可以参考这篇文章。

2.3.3 putVal()

这个方法就是将KV放到对应的桶中。这个方法的过程，比较清晰。

 1 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
 2                boolean evict) {
 3     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
 4     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
 5         //如果之前的数组为空，那么新建一个默认的数组
 6         n = (tab = resize()).length;
 7     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
 8         //如果hash值计算出来在数组中的位置上，没有元素，那么直接插入到数组中
 9         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
10     else {
11         Node<K,V> e; K k;
12         if (p.hash == hash &&
13             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
14             //如果算出的hash存在，而且kv完全一致的话，那么目前什么也不做
15             e = p;
16         else if (p instanceof TreeNode)
17             //如果数组中的元素是红黑树，那么将kv插入到红黑树中
18             e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
19         else {
20             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
21                 if ((e = p.next) == null) {
22                     //如果hash的桶中，已经存在了一个链表，那么新增一个节点，放到链表的尾部
23                     p.next = newNode(hash, key, value, null);
24                     //如果链表的长度大于树化的阈值，那么将链表转为红黑树
25                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
26                         treeifyBin(tab, hash);
27                     break;
28                 }
29                 if (e.hash == hash &&
30                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
31                     break;
32                 p = e;
33             }
34         }
35         //如果当前数组中存在相同的kv，那么根据是否替换来判断，如果不替换，那么就不替换
36         if (e != null) { // existing mapping for key
37             V oldValue = e.value;
38             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
39                 e.value = value;
40             afterNodeAccess(e);
41             return oldValue;
42         }
43     }
44     ++modCount;
45     if (++size > threshold)
46         //如果空间需要进行扩容，那么进行resize操作
47         resize();
48     afterNodeInsertion(evict);
49     return null;
50 }

 

至此，putVal的方法过程基本上清楚了，但是里面有个非常重要的方法，就是resize，我们下面就进入resize方法，看看到底是如何扩容的。

2.4 resize()

这个过程是HashMap扩容的过程，也是需要重点理解的一块。 我们首先看下第一部分。

2.4.1 确定容量和扩容阈值

 1 Node<K,V>[] oldTab = table;
 2 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
 3 int oldThr = threshold;
 4 int newCap, newThr = 0;
 5 if (oldCap > 0) {
 6     //如果目前容量已经是最大容量，那么扩容阈值为int的最大值，所有的节点都不需要移动
 7     if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
 8         threshold = Integer.MAX_VALUE;
 9         return oldTab;
10     }
11     //如果oldCap*2小于最大容量，并且oldCap>=16，扩容为2倍，扩容阈值也*2
12     else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
13                      oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
14         newThr = oldThr << 1;
15 }
16 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
17     newCap = oldThr;
18 else {// 默认值
19     newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
20     newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
21 }
22 if (newThr == 0) {//计算新的扩容阈值
23     float ft = (float)newCap * loadFactor;
24     newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
25               (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
26 }
27 threshold = newThr;

 

这个过程，主要是确定新的容量和扩容阈值。

2.4.2 节点移动

 1 　if (oldTab != null) {
 2     for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {//遍历老的数组
 3         Node<K,V> e;
 4         if ((e = oldTab[j]) != null) {
 5             oldTab[j] = null;
 6             if (e.next == null)//如果老的链表，只有一个KV，直接将这个KV放到新的数组链表中
 7                 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
 8             else if (e instanceof TreeNode)//如果老的是红黑树，需要将红黑树中的每个元素都拆分到新的数组和链表/红黑树中
 9                 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
10             else { // 如果节点是链表，而且不止一个KV的情况下，需要对链表进行处理，处理的过程，光看代码理解起来较困难，需要通过例子来理解
11                 Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
12                 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
13                 Node<K,V> next;
14                 do {
15                     next = e.next;
16                     if ((e.hash & oldCap) == 0) {
17                         if (loTail == null)
18                             loHead = e;
19                         else
20                             loTail.next = e;
21                         loTail = e;
22                     }
23                     else {
24                         if (hiTail == null)
25                             hiHead = e;
26                         else
27                             hiTail.next = e;
28                         hiTail = e;
29                     }
30                 } while ((e = next) != null);
31                 if (loTail != null) {
32                     loTail.next = null;
33                     newTab[j] = loHead;
34                 }
35                 if (hiTail != null) {
36                     hiTail.next = null;
37                     newTab[j + oldCap] = hiHead;
38                 }
39             }
40         }
41     }
42 }

 

我们需要知道，坐标点的计算方法是e.hash & (cap-1)。

没有进行扩容时，假设原来的cap=16，也就是默认值，扩容后容量为32。对于hash值为5（二进制为0000 0101）和21（二进制为0001 0101）的元素来讲，计算坐标，也就是和15（二进制为0000 1111）计算后的坐标点都是5，会落到同一个链表中。

但是扩容后，需要求与的变成了31（二进制为0001 1111），算出来的坐标点分别为5和21，第二个坐标点增加了oldCap的长度。

此时再看e.hash & oldCap的计算结果，也就是将5和21和16（二进制为0001 0000）求与，得到的结果分别是0和16（!=0）。可以看到，当e.hash & oldCap得到0时，坐标不需要进行变动，也就是不需要在数组中的位置不需要移动。如果结果不为0，需要在原来坐标的位置，增加oldCap。

这里的lo和hi也就是两个链表，表示的是低位和高位的两条链表。

三、线程不安全的问题

我们都知道，HashMap不是线程安全的。这块主要体现在两块：

3.1 get和put

这两块都没有加锁，所以可能会导致多线程执行时，出现数据被覆盖的问题。

3.2 死循环的问题

这个问题主要出现在resize的过程中，多线程都探测到需要resize时，将链表元素rehash过程中，可能会导致死循环。这个问题参考这篇文章。

至此，源码分析基本结束，我们还可以思考，为什么cap必须是2的幂次，我们应该如何正确的初始化HashMap等。