HashMap?

Posted 2020-11-21 watertreestar

HashMap

HashMap是Java集合中重要的一个数据结构，作为key-value形式的存在，被广泛使用

虽在平常开发中经常使用HashMap来存放数据，并且很多框架也使用了Map，但对HashMap的了解一直不够深入

HashMap在JDK 1.7中的实现

1.7中的数据结构

1.7中HashMap几个关键的成员变量

1. 初始化桶大小，因为底层是数组，所以这是数组默认的大小。
2. 桶最大值。
3. 默认的负载因子（0.75）
4. table 真正存放数据的数组。
5. Map 存放数量的大小。
6. 桶大小，可在初始化时显式指定。
7. 负载因子，可在初始化时显式指定

负载因子

给定的默认容量为 16，负载因子为 0.75。Map 在使用过程中不断的往里面存放数据，当数量达到了 16 * 0.75 = 12 就需要将当前 16 的容量进行扩容，而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作

Entry类

Entry 是 HashMap 中的一个内部类，从他的成员变量很容易看出：

• key 就是写入时的键。
• value 自然就是值。
• 开始的时候就提到 HashMap 是由数组和链表组成，所以这个 next 就是用于实现链表结构。
• hash 存放的是当前 key 的 hashcode。

put 方法

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

put 操作的流程

• 判断当前数组是否需要初始化。
• 如果 key 为空，则 put 一个空值进去。
• 根据 key 计算出 hashcode。
• 根据计算出的 hashcode 定位出所在桶。
• 如果桶是一个链表则需要遍历判断里面的 hashcode、key 是否和传入 key 相等，如果相等则进行覆盖，并返回原来的值。
• 如果桶是空的，说明当前位置没有数据存入；新增一个 Entry 对象写入当前位置。

get 方法

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);
    return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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;
}

• 首先也是根据 key 计算出 hashcode，然后定位到具体的桶中。
• 判断该位置是否为链表。
• 不是链表就根据 key、key 的 hashcode 是否相等来返回值。
• 为链表则需要遍历直到 key 及 hashcode 相等时候就返回值。
• 啥都没取到就直接返回 null

HashMap在JDK 1.8中的实现

1.7中HashMap有一个问题就是，当Hash严重冲突时，链表就会越来越长，查找的效率就会越来越低

因此在1.8中就优化了这个问题

1.8中的数据结构

1.8中HashMap关键成员变量

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
 * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
 * by either of the constructors with arguments.
 * MUST be a power of two <= 1<<30.
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
 * The load factor used when none specified in constructor.
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
transient Node<K,V>[] table;
/**
 * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
 * for keySet() and values().
 */
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
/**
 * The number of key-value mappings contained in this map.
 */
transient int size;

和1.7中的区别

• TREEIFY_THRESHOLD 用于判断是否需要将链表转换为红黑树的阈值。
• HashEntry 修改为 Node，Node核心组成和1.7中的Entry一致

put 方法

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

1. 判断当前桶是否为空，空的就需要初始化（resize 中会判断是否进行初始化）。
2. 根据当前 key 的 hashcode 定位到具体的桶中并判断是否为空，为空表明没有 Hash 冲突就直接在当前位置创建一个新桶即可。
3. 如果当前桶有值（ Hash 冲突），那么就要比较当前桶中的 key、key 的 hashcode 与写入的 key 是否相等，相等就赋值给 e,在第 8 步的时候会统一进行赋值及返回。
4. 如果当前桶为红黑树，那就要按照红黑树的方式写入数据。
5. 如果是个链表，就需要将当前的 key、value 封装成一个新节点写入到当前桶的后面（形成链表）。
6. 接着判断当前链表的大小是否大于预设的阈值，大于时就要转换为红黑树。
7. 如果在遍历过程中找到 key 相同时直接退出遍历。
8. 如果 e != null 就相当于存在相同的 key,那就需要将值覆盖。
9. 最后判断是否需要进行扩容

get 方法

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        if ((e = first.next) != null) {
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

• 首先将 key hash 之后取得所定位的桶。
• 如果桶为空则直接返回 null 。
• 否则判断桶的第一个位置(有可能是链表、红黑树)的 key 是否为查询的 key，是就直接返回 value。
• 如果第一个不匹配，则判断它的下一个是红黑树还是链表。
• 红黑树就按照树的查找方式返回值。
• 不然就按照链表的方式遍历匹配返回值。

HashMap存在的问题

HashMap问题之一就是在并发情况下可能会出现死循环

final HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
        }
    }).start();
}

HashMap的遍历方式

Iterator<Map.Entry<String, Integer>> entryIterator = map.entrySet().iterator();
    while (entryIterator.hasNext()) {
        Map.Entry<String, Integer> next = entryIterator.next();
        System.out.println("key=" + next.getKey() + " value=" + next.getValue());
}
        
Iterator<String> iterator = map.keySet().iterator();
    while (iterator.hasNext()){
        String key = iterator.next();
        System.out.println("key=" + key + " value=" + map.get(key));
}

建议使用第一种方式遍历，可以一次取出key和value