亲宝软件园·资讯

展开

HashMap7浅析

阿呆很呆非常呆 人气:1

一、概述

  HashMap,基于哈希结构的Map接口的一个实现,无序,允许null键值对,线程不安全的。可以使用集合工具类Collections中的synchronizedMap方法,去创建一个线程安全的集合map。

  在jdk1.7中,HashMap主要是基于 数组+链表 的结构实现的。链表的存在主要是解决 hash 冲突而存在的。插入数据的时候,计算key的hash值,取得存储的数组下标,如果冲突已有元素,则会在冲突地址上生成个链表,再通过key的比较,链表是否已存在,存在则覆盖,不存在则链表上添加。这种方式,如果存在大量冲突的时候,会导致链表过长,那么直接导致的就是牺牲了查询和添加的效率。所以在jdk1.8版本之后,使用的就是 数组 + 链表 + 红黑树,当链表长度超过 8(实际加上初始的节点,整个有效长度是 9) 的时候,转为红黑树存储。

  本文中内容,主要基于jdk1.7版本,单线程环境下使用的HahsMap没有啥问题,但是当在多线程下使用的时候,则可能会出现并发异常,具体表象是CPU会直线上升100%。下面是主要介绍相关的存取以及为什么会出现线程安全性问题。

二、结构

  

  HashMap默认初始化size=16的哈希数组,然后通过计算待存储的key的hash值,去计算得到哈希数组的下标值,然后放入链表中(新增节点或更新)。链表的存在即是解决hash冲突的。

三、源码实现分析

  1、存储具体数据的table数组:

      

    Entry为HashMap中的静态内部类,其具体结构如下图

      

    key、value属性就是存储键值对的,next则是指向链表的下一个元素节点。

     2、 默认初始化方法:

    

    默认构造方法,不对table进行初始化new(真正初始化动作放在put中,后面会看到),只是设置参数的默认值,hashmap长度和table长度初始化成DEFAULT_INITIAL_CAPACITY(16),加载因子loadFactor默认DEFAULT_LOAD_FACTOR(0.75f,至于为什么是0.75,这个可以参见 https://stackoverflow.com/questions/10901752/what-is-the-significance-of-load-factor-in-hashmap)。

    加载因子:默认情况下,16*0.75=12,也就是在存储第13个元素的时候,就会进行扩容(jdk1.7的threshold真正计算放在第一次初始化中,后面会再提及)。此元素的设置,直接影响到的是key的hash冲突问题。

  3、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; }

  3.1、EMPTY_TABLE是HashMap中的一个静态的空的Entry数组,table也是HashMap的一个属性,默认就是EMPTY_TABLE(这两句可参见上面源码),table就是我们真正数据存储使用的。
  3.2、前面提及,无参构造的时候,并未真正完成对HashMap的初始化new操作,而仅仅只是设置几个常量,所以在第一次put数据的时候,table是空的。则会进入下面的初始化table方法中。

if (table == EMPTY_TABLE) {
    inflateTable(threshold);
}

private void inflateTable(int toSize) {
    // Find a power of 2 >= toSize
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);

    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); //计算加载因子,默认情况下结果为12
    table = new Entry[capacity];  //真正的初始化table数组
    initHashSeedAsNeeded(capacity);
}

  3.3、key的null判断

if (key == null)
    return putForNullKey(value);

private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

  具体步骤解析:

    1、key为null,取出table[0]的链表结构Enrty,如果取出的元素不为null,则对其进行循环遍历,查找其中是否存在key为null的节点元素。

       2、如果存在key == null的节点,则使用新的value去更新节点的oldValue,并且将oldValue返回。

    3、如果不存在key == null的元素,则执行新增元素addEntry方法:

      (1)判断是否需要扩容,size为当前数组table中,已存放的Entry链表个数,更直接点说,就是map.size()方法的返回值。threshold上面的真正初始化HashMap的时候已经提到,默认情况下,计算得到 threshold=12。若同时满足  (size >= threshold) && (null != table[bucketIndex]) ,则对map进行2倍的扩容,然后对key进行重新计算hash值和新的数组下标。

      (2)创建新的节点原色createEntry方法,首先获取table数组中下标为bucketIndex的链表的表头元素,然后新建个Entry作为新的表头,并且新表头其中的next指向老的表头数据。

  3.4、key不为null的存储  
    原理以及过程上通key==null的大体相同,只不过,key==null的时候,固定是获取table[0]的链表进行操作,而在不为key != null的时候,下标位置是通过
  int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); 计算得到的

  static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

  很清晰的就能看明白,先计算key的hash,然后与当前table的长度进行相与,这样计算得到待存放数据的下标。得到下标后,过程就与key==null一致了,遍历是否存在,存在则更新并返回oldVlaue,不存在则新建Entry。

  4、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();
    }
    如果key == null,则调用getForNullKey方法,遍历table[0]处的链表。
private V getForNullKey() {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

  如果key != null,则调用getEntry,根据key计算得到在table数组中的下标,获取链表Entry,然后遍历查找元素,key相等,则返回该节点元素。

 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;
    }

四、线程不安全分析

  上述,主要浅析了下HashMap的存取过程,HashMap的线程安全性问题主要也就是在上述的扩容resize方法上,下面来看看在高并发下,扩容后,是如何引起100%问题的。

  1、在进行新元素 put 的时候,这在上面中的3.3的代码片段中可以查看,addEntry 添加新节点的时候,会计算是否需要扩容处理:(size >= threshold) && (null != table[bucketIndex]) 。

  2、如果扩容的话,会接下来调用 resize 方法

 void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        //关键性代码,构建新hashmap并将老的数据移动过来
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

  3、其中,出现100%问题的关键就是上面的 transfer 方法,新建hashmap移动复制老数据

 1  void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
 2         int newCapacity = newTable.length;
 3         for (Entry<K,V> e : table) {
 4             // 遍历老的HashMap,当遇到不为空的节点的是,进入移动方法
 5             while(null != e) {
 6                 // 首先创建个Entry节点 指向该节点所在链表的下一个节点数据
 7                 Entry<K,V> next = e.next;
 8                 if (rehash) {
 9                     e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
10                 }
11               // 计算老的数据在新Hashmap中的下标位置
12                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
13              // 将新HashMap中相应位置的元素,挂载到老数据的后面(不管有无数据)
14                 e.next = newTable[i];
15                 // 将新HashMap中相应位置指向上面已经成功挂载新数据的老数据
16              newTable[i] = e;
17              // 移动到链表节点中的下一个数据,继续复制节点
18                 e = next;
19             }
20         }
21     }    

  问题的关键就在上述的14、15行上,这两行的动作,在高并发下可能就会造成循环链表,循环链表在等待下一个尝试 get 获取数据的时候,就悲剧了。下面举例模拟说说这个过程:

  (1)假设目前某个位置的链表存储结构为 A -> B -> C,有两个线程同时进行扩容操作

  (2)线程1执行到第7行 Entry<K,V> next = e.next; 的时候被挂起了,此时,线程1的 e 指向 A , next 指向的是 B

  (3)线程2执行完成了整个的扩容过程,那么此时的链表结构应该是变为了 C -> B -> A

  (4)线程1唤醒继续执行,而需要操作的链表实际就变成了了上述线程2完成后的 C ->B -> A,下面分为几步去完成整个操作:

      第一次循环:

        (i)执行 e.next = newTable[i] ,将 A 的 next 指向线程1的新的HashMap,由于此时无数据,所以 e.next = null

        (ii)执行 newTable[i] = e,将线程1的新的HashMap的第一个元素指向 A 

        (iii)执行e = next,移动到链表中的下一个元素,也就是上面的(2)中的 线程挂起的时候的 B

      第二次循环:

        (i)执行 Entry<K,V> next = e.next,此时的 e 指向 B,next指向 A

        (ii)执行 e.next = newTable[i] ,将 B 的 next 指向线程1的新的HashMap,由于此时有数据A,所以 e.next = A

        (iii)执行 newTable[i] = e,将线程1的新的HashMap的第一个元素指向 B,此时线程1的新Hashmap链表结构为B -> A

        (iiii)执行e = next,移动到链表中的下一个元素 A

      第三次循环:

        (i)执行 Entry<K,V> next = e.next,此时的 e 指向 A,next指向 null

        (ii)执行 e.next = newTable[i] ,将 A 的 next 指向线程1的新的HashMap,由于此时有数据B,所以 e.next = B

        (iii)执行 newTable[i] = e,将线程1的新的HashMap的第一个元素指向 A ,此时线程1的新Hashmap链表结构为 A -> B -> A

        (iiii)执行e = next,移动到链表中的下一个元素,已移动到链表结尾,结束 while 循环,完成链表的转移。

  (5)上述过程中,很显然的,最终的链表结构中,出现了 A -> B -> A 的循环结构。扩容完成了,剩下的等待的是get获取的时候, getEntry 方法中 for循环e = e.next中就永远出不来了。

  注意:扩容过程中,newTable是每个扩容线程独有的,共享的只是每个Entry节点数据,最终的扩容是会调用 table = newTable 赋值操作完成。

加载全部内容

相关教程
猜你喜欢
用户评论