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HashMap原理解读

HashMap原理，已安排！

前言

是你无情，还是我无知，痛心记录，点滴成长。

一.关于HashMap名词

  1. initialCapacity：初始容量。指的是 HashMap 集合初始化的时候自身的容量。可以在构造方法中指定；如果不指定的话，总容量默认值是 16 。需要注意的是初始容量必须是 2 的幂次方。
  2. size：当前 HashMap 中已经存储着的键值对数量，即 HashMap.size() 。
  3. loadFactor：加载因子。所谓的加载因子就是 HashMap (当前的容量/总容量) 到达一定值的时候，HashMap 会实施扩容。加载因子也可以通过构造方法中指定，默认的值是 0.75 。举个例子，假设有一个 HashMap 的初始容量为 16 ，那么扩容的阀值就是 0.75 * 16 = 12 。也就是说，在你打算存入第 13 个值的时候，HashMap 会先执行扩容。
  4. threshold：扩容阀值。即 扩容阀值 = HashMap 总容量 * 加载因子。当前 HashMap 的容量大于或等于扩容阀值的时候就会去执行扩容。扩容的容量为当前 HashMap 总容量的两倍。比如，当前 HashMap 的总容量为 16 ，那么扩容之后为 32
  5. table：Entry 数组。我们都知道 HashMap 内部存储 key/value 是通过 Entry 这个介质来实现的。而 table 就是 Entry 数组。
  6. 哈希碰撞：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。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.HashMap原理

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put()

public V put(K key, V value) {
    // 如果 table 数组为空时先创建数组，并且设置扩容阀值
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    // 如果 key 为空时，调用 putForNullKey 方法特殊处理
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // 计算 key 的哈希值
    int hash = hash(key);
    // 根据计算出来的哈希值和当前数组的长度计算在数组中的索引
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 先遍历该数组索引下的整条链表
    // 如果该 key 之前已经在 HashMap 中存储了的话，直接替换对应的 value 值即可
    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++;
    // 如果该 key 之前没有被存储过，那么就进入 addEntry 方法
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

看了上面 put 方法的代码，大致分为了以下几个步骤：

  1. 如果 table 数组为空时先创建数组，并且设置扩容阀值
  2. 如果 key 为空时，调用 putForNullKey 方法特殊处理
  3. 计算 key 的哈希值
  4. 根据第三步计算出来的哈希值和当前数组的长度来计算得到该 key 在数组中的索引，其实索引最后的值就等于 hash%table.length
  5. 遍历该数组索引下的整条链表，如果之前已经有一样的 key ，那么直接覆盖 value
  6. 如果该 key 之前没有，那么就进入 addEntry 方法

addEntry()

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 当前容量大于或等于扩容阀值的时候，会执行扩容
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        // 扩容为原来容量的两倍
        resize(2 * table.length);
        // 重新计算哈希值
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        // 重新得到在新数组中的索引
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }
    // 创建节点
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

在 addEntry 方法中，有两个注意点需要我们去看：

  1. 如果当前 HashMap 的存储容量到达阀值的时候，会去进行 resize(int newCapacity) 扩容
  2. 在 createEntry 方法中增加新的节点

resize()

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    // 创建新的 entry 数组
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    // 将旧 entry 数组中的数据复制到新 entry 数组中
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    // 将新数组的引用赋给 table
    table = newTable;
    // 计算新的扩容阀值
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

根据代码可以知道，扩容就是创建了一个新的数组，然后把数据全部复制过去，再把新数组的引用赋给 table 。

get()

public V get(Object key) {
    // 如果 key 是空的，就调用 getForNullKey 方法特殊处理
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    // 获取 key 相对应的 entry 
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();
}

getEntry()

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    // 计算 key 的哈希值
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    // 得到数组的索引，然后遍历链表，查看是否有相同 key 的 Entry
    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;
    }
    // 没有的话，返回 null
    return null;
}

getEntry(Object key) 方法很简单，就是找到对应 key 的数组索引，然后遍历链表查找即可。

Java 1.8 中 HashMap 的不同

  1. 在 Java 1.8 中，如果链表的长度超过了 8 ，那么链表将转化为红黑树
  2. 发生 hash 碰撞时，Java 1.7 会在链表头部插入，而 Java 1.8 会在链表尾部插入
  3. 在 Java 1.8 中，Entry 被 Node 代替（换了一个马甲）

三.总结

  1. HashMap中数据是用一个叫table的数组来存的，table的索引在逻辑上叫做“桶”(bucket)，它存储了链表的第一个元素
  2. HashMap有一个叫做Entry的内部类，它用来存储key-value对。table数组存的就是它。Entry用一个next属性实现多个Entry以单向链表存放，插入元素时，如果两条Key落在同一个桶，并且这两条key不equals,后入桶的Entry将next指向桶当前的Entry，否则后入桶的会将前面的给覆盖（确保key的唯一性）
  3. 使用HashMap的时候最好使用泛型，如果key放的是自己的对象，最好重写equals()和hashcode()

后续

参考博文1
参考博文2

舒克