JAVA8-HashMap-源码探究

JAVA8-HashMap-源码探究

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HashMap ，是一种散列表，用于存储 key-value 键值对的数据结构，一般翻译为“哈希表”，
提供平均时间复杂度为 O(1)的、基于 key 级别的 get/put 等 *** 作。

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目录

标题一. 存在的原因(简单理解).标题二. HashMap中的Hash是什么标题三. HashMap的继承实现和底层结构标题四. HashMap核心属性分析标题五. 4个构造函数标题六. put方法标题七. resize()方法标题八. get() 方法标题九. remove()方法标题十. replace()方法

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标题一. 存在的原因(简单理解).

数组: 能索引, 但扩容不方便
链表: 扩容方便, 却不能索引.
那得找个能索引, 且扩容方便的才行.
于是HashMap横空出世.

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标题二. HashMap中的Hash是什么

Hash, 即哈希, 散列. 是一种算法.
Hash算法能固定或任意长度的输入，变换成固定长度的输出，该输出就是Hash值.
原理: 将输入的值的空间映射成hash空间里的值

该算法有四大特点:

正向快速, 效率高, 把明文快速转成Hash值逆向困难, 很难通过Hash值推导出明文输入敏感, 输入的微小变化也能造成Hash值的千差万别冲突避免, 不同的明文就能生成不同的Hash值. 冲突的概率很小(有抽屉原理,会冲突)

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标题三. HashMap的继承实现和底层结构

接口和类

HashMap继承了AbstractMap，实现了Cloneable接口、Serializable接口、Map接口

底层结构

数组 + 链表 + 红黑树 (>= java8)

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标题四. HashMap核心属性分析

Node[] table:

threshold：扩容阈值

loadFactor：负载因子

size：map实际的元素个数

modCount：map修改元素的次数，如删除和增加，但是对同一个位置进行修改value，不增加

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标题五. 4个构造函数

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;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}   
public HashMap(Map m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);
}

// 此方法核心功能就是求出，大于等于输入长度的2次幂的值
// 如输出：8，输出为8
// 如输出：9，输出为16
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1; //  n = 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;
}
为什么**table.length长度为2的次幂** ? 因为源码中做出优化, 使得(table.length - 1 ) & node.hash 相当于 node.hash % table.length 且前者是位运算更快. 但相对有一个前提, 那就是table.length长度为2的次幂)

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标题六. put方法

在并发情况下. jdk7中多个进程调用put方法时, 且刚好是扩容的节点. 会造成链表死循环
jdk8中多个进程调用put方法, 有可能造成数据覆盖的问题.

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

// 扰动函数
// 作用：如何table比较短的时候，让key的hash值得高16位也参加路由运算
// 异或：相同为0，不同返回1

// h = 0b 0010 0101 1010 1100 0011 1111 0010 1110

// 0b 0010 0101 1010 1100 0011 1111 0010 1110 [h]
// ^
// 0b 0000 0000 0000 0000 0010 0101 1010 1100 [h >>> 16]
// => 0010 0101 1010 1100 0001 1010 1000 0010
// 在 table 还不是很长的情况下，让高16位也参与进来，为了减少冲突和碰撞
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

// put的 核心方法
// hash：key的hash值
// key：key
// value: value
// onlyIfAbsent：如果为true，则不要更改现有值
// evict：如果为false，则表处于创建模式。
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    // tab：引用当前hashMap的散列表
    // p：当前散列表的元素
    // n：表示当前散列表的长度
    // i：表示路由寻址的结果
    Node[] tab; Node p; int n, i;
    
    // 延迟初始化逻辑，第一次调用 putVal 的时候会初始化hashMap对象中最耗费内存的散列表
    // 如果 table 为null，或者长度为0，就开始创建
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        // 第一次插入数据的时候才会初始化
        n = (tab = resize()).length;
    
    // 最简单的一种情况，寻址找到的桶位，刚好是 null 此时就直接赋值到计算的位置
    // tab 和 n 在上一个 if 赋值
    // 执行一次路由运算 (n - 1) & hash] 得到hash的地址
    // 如果 tab 中没有这个元素或者等于null
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 创建一个新的Node 就把 k-v 封装一个Node放在 tab的i位置
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    
    // 此时可能是数组、可能是链表、可能是红黑树
    else {
        // e：不为null的话，找到了一个与当前要插入的k-v一致的元素
        // k：表示临时的k
        Node e; K k;
        // p：在另一个分支if中获得
        // 表示桶为中的该元素，与你当前插入的元素的key完全一致，后续进行替换 *** 作
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // p：已经树化了
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode)p).putTreeval(this, tab, hash, key, value);
        //是链表
        else {
            // 链表的头元素与要插入的key不一致，
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 如果到末尾了，就把p加到最后一个位置
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 如果当前链表的大小 binCount 大于基准树化的值，就执行树化 *** 作
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        // 树化 *** 作
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                // 如何 hash 相等 且key也相等，需要进行替换 *** 作
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                // 循环
                p = e;
            }
        }
        // 如果e不为null，找到老的值，返回
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                // 把新的值覆写
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    //修改次数增加，替换Node元素替换不算
    ++modCount;
    // 如果table大小大于阈值，就执行 resize()，进行扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

1.扰动函数得到hash让元素在数组中的分布更均匀，减少哈希碰撞.

2.所谓哈希碰撞就是第三步算出的hash值相同了. 那node数组中就会链化(拉链法).

3.当链化过长时. 那查询的时间复杂度会从O(1)退化成O(n).

4.解决方法:1.node数组扩容减少哈希碰撞, 2. 链表转红黑树, 即树化

5.路由算法: 找出node在数组中的下标. table.length长度为二的次幂, 如16, 减一后(1111b) 与 上 hash值算出数组下标.

6.为什么table.length长度为2的次幂 ? 因为源码中做出优化, 使得(table.length - 1 ) & node.hash 相当于 node.hash % table.length 且前者是位运算更快. 但相对有一个前提, 那就是table.length长度为2的次幂)

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标题七. resize()方法

// resize()  方法
// 为什么需要扩容？
// 当元素越来越多的时候，hashMap的查找速度就从O(1)升到O(n)，导致链化严重，
// 为了解决冲突带来的查询效率的下降，因此需要扩容[扩容是一个很不好的动作]
final Node[] resize() {
    // oldTab：引用扩容之前的哈希表
    Node[] oldTab = table;
    // oldCap：表示扩容之前table数组的长度
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    // oldThr：表示扩容之前的阈值，触发本次扩容的预祝
    int oldThr = threshold;
    // newCap：扩容之后table数组的大小
    // newThr：扩容之后下次触发扩容的条件
    int newCap, newThr = 0;
    // 条件如果成立，说明hashMap中的散列表已经初始化过了，是一次正常的扩容
    if (oldCap > 0) {
        // 当前数组的长度已经大于 hashMap所能容纳的最大大小 就不在扩容，直接返回原数组
        // 设置扩容最大阈值为 int 的最大值
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 新的table大小为源table的2倍
        // 通知扩容之后的newCap小于数组的最大值限制，其扩容之前的阈值为16
        // 这种情况下，则下一次的扩容的阈值，翻倍
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            // 扩容的阈值也变为原来的2倍
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    // oldCap == 0 [说明hashMap中的散列表式null] 
    // 1.new HashMap(initCap,loadFactor)
    // 2.new HashMap(intiCap)
    // 3.new HashMap(map) 并且Map有数据
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    
    // oldCap == 0 && oldThr == 0
    // new HashMap();的时候
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; // 16
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); //12
    }
    // newThr为0的时候，通过newCap和loadFactor计算出一个newThr
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    // 更新阈值为计算出来的 newThr
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    // 创建一个很大的数组
    Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
    // 然后更新 table 的引用
    table = newTab;
    // oldTab不为null，说明hashMap本次扩容之前，table不为null
    if (oldTab != null) {
        // 迭代 一个一个位置去处理
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            // e：当前的node节点
            Node e;
            // 迭代桶节点，如果节点不为空，才需要计算
            // 但是桶里面的数据具体式哪种（单个数据、链表、树）不确定，需要继续判断
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                // 把原来的数组数据置空，等待GC回收，原来的数据已经存在e里面
                oldTab[j] = null;
                // 说明式单个元素数据，
                if (e.next == null)
                    // 直接计算hash值放入即可
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                // 如果已经树化
                else if (e instanceof TreeNode)
                    // 在红黑树部分讲解
                    ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                // 如果是链表
                else { // preserve order
                    // 桶位已经形成链表
                    
                    // 低位链表：存放在扩容之后的数组的下标的位置，与当前数组下标位置一致
                    Node loHead = null, loTail = null;
                  	// 高位链表：存放在扩容之后数组的下标位置，
                    // 当前数组下标位置 + 扩容之前数组的长度
                    Node hiHead = null, hiTail = null;
                    
                    // 当前链表的一个元素
                    Node next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // hash -> .... 1 1111 
                        // hash -> .... 0 1111 
                        // 0b 1 0000
                        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);
                    // 低位链表有数据
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 高位链表有数据
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    // 结束之后返回新的
    return newTab;
}

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标题八. get() 方法

// 获得一个方法
public V get(Object key) {
    Node e;
    // 先调用 hash(key)计算hash值，然后调用 getNode方法
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

// getNode方法
final Node getNode(int hash, Object key) {
    // tab：引用当前hashMap的散列表
    // first：桶位中的头元素
    // e：临时node元素
   	// n：table数组元素
    Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
    // 首先判断 table 不是空且长度不为0，并且first部位null
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        // 对第一个first进行判断，如果hash值相等并且 key 相等，返回当前节点
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 如果first的下一个不为null
        if ((e = first.next) != null) {
            // 如果是树，就调用树的查找方法
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
            // 如果是链表，就循环进行判断
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    // 都没有，就返回null
    return null;
}

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标题九. remove()方法

// 移除元素的方法
public V remove(Object key) {
    Node e;
    // 调用hash方法，获得哈希值，然后调用removeNode
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
        null : e.value;
}

// 核心方法 removeNode
// hash：hash值
// key：key
// value：value 如果matchValue则匹配的值，否则忽略
// matchValue：如果为true，则仅在值相等时删除
// movable：如果删除虚假不动其他节点
final Node removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    // tab：引用当前hashMap的散列表
    // p：当前node元素
    // n：表示散列表数组长度
    // index：表示寻址结果
    Node[] tab; Node p; int n, index;
    
    // 判断 table 是否为空，是否长度为0，且对应的hash值在数组里面存在，才继续向下走
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        // 说明桶位是由数据的，需要进行查找 *** 作，并且删除
        // node：查找到的结果
        // e：当前Node的下一个元素
        Node node = null, e; K k; V v;
        // 判断头元素是不是要删除的元素，如果是就放进去node
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
        // 桶的第一个不是
        else if ((e = p.next) != null) {
            // 树化结构
            if (p instanceof TreeNode)
                // 调用树化的结果
                node = ((TreeNode)p).getTreeNode(hash, key);
            else {
                // 链表结构 循环遍历得到结构
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        // 判断是否得到了目标要删除的节点
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {
            // 如果是树节点，调用树的删除 *** 作
            if (node instanceof TreeNode)
                ((TreeNode)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            // 如果node = p 表示是第一个数据
            else if (node == p)
                // 更新地址为下一个数据，放到桶
                tab[index] = node.next;
            else
                // 如果node 不等于 p 那就直接指向链表的下一个元素地址
                p.next = node.next;
            // 修改次数增加
            ++modCount;
            // 大小减1
            --size;
            afterNodeRemoval(node);
            // 返回删除的node
            return node;
        }
    }
    // 如果都没有执行，那么就返回null
    return null;
}

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标题十. replace()方法

// 根据 k 和 v 替换
@Override
public V replace(K key, V value) {
    Node e;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) != null) {
        V oldValue = e.value;
        e.value = value;
        afterNodeAccess(e);
        return oldValue;
    }
    return null;
}

// 根据 k oldValue newValue 替换 
@Override
public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
    Node e; V v;
    if ((e = getNode(hash(key), key)) != null &&
        ((v = e.value) == oldValue || (v != null && v.equals(oldValue)))) {
        e.value = newValue;
        afterNodeAccess(e);
        return true;
    }
    return false;
}

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