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JDK源码分析-HashMap

骑着龙的羊 人气:4

一.HashMap的内部属性

1.1 成员变量

1.1.1 size:

HashMap包含的KV键值对的数量,也就是我们通常调用Map.size()方法的返回值

    public int size() {
        return size;
    }
1.1.2 modCount

HashMap的结构被修改的次数(包括KV映射数量和内部结构rehash次数),用于判断迭代器梳理中不一致的快速失败。

abstract class HashIterator {
...
  final Node<K,V> nextNode() {
            Node<K,V>[] t;
            Node<K,V> e = next;
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
                do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
            }
            return e;
        }
...
}
1.1.3 threshold

下一次扩容时的阈值,达到阈值便会触发扩容机制resize(阈值 threshold = 容器容量 capacity * 负载因子 load factor)。也就是说,在容器定义好容量之后,负载因子越大,所能容纳的键值对元素个数就越多。计算方法如下:

 static final int tableSizeFor(int cap) {
        int n = cap - 1;
        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;
    }
1.1.4 loadFactor

负载因子,默认是0.75

1.1.5 Node<K,V>[] table

底层数组,充当哈希表的作用,用于存储对应hash位置的元素,数组长度总是2的N次幂

1.2 内部类

1.2.1 Node<K,V>
/**
     * 定义HashMap存储元素结点的底层实现
     */
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;//元素的哈希值 由final修饰可知,当hash的值确定后,就不能再修改
        final K key;// 键,由final修饰可知,当key的值确定后,就不能再修改
        V value; // 值
        Node<K,V> next; // 记录下一个元素结点(单链表结构,用于解决hash冲突)

        
        /**
         * Node结点构造方法
         */
        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;//元素的哈希值
            this.key = key;// 键
            this.value = value; // 值
            this.next = next;// 记录下一个元素结点
        }

        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        /**
         * 为Node重写hashCode方法,值为:key的hashCode 异或 value的hashCode 
         * 运算作用就是将2个hashCode的二进制中,同一位置相同的值为0,不同的为1。
         */
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }

        /**
         * 修改某一元素的值
         */
        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

        /**
         * 为Node重写equals方法
         */
        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }
1.2.2 TreeNode<K,V>
 static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
        //与left、right联合使用实现树结构   
        TreeNode<K,V> parent;  
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        // needed to unlink next upon deletion
        TreeNode<K,V> prev;   
        //记录树节点颜色 
        boolean red;

     /**
     * 操作方法
     * 包括:树化、链栈化、增删查节点、根节点变更、树旋转、插入/删除节点后平衡红黑树
     */
     ...
}

1.3 Key的hash算法

Key的hash算法源码如下:

  static final int hash(Object key) {
        int h;
         ///key.hashCode()为哈希算法,返回初始哈希值
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    } 

因为HashMap中是允许key 为null的键值对,所以先判断了key == null。当key 不为null的时候,hash算法是先通过key.hashCode()计算出一个hash值再与改hash值的高16位做异或运算(有关异或运算请移步:java运算符 与(&)、非(~)、或(|)、异或(^)) 上面的key.hashCode()已经计算出来了一个hash散列值,可以直接拿来用了,为何还要做一个异或运算? 是为了对key的hashCode进行扰动计算(),防止不同hashCode的高位不同但低位相同导致的hash冲突。简单点说,就是为了把高位的特征和低位的特征组合起来,降低哈希冲突的概率,也就是说,尽量做到任何一位的变化都能对最终得到的结果产生影响

二. HashMap的初始化

HashMap的初始化有以下四种方法:

  1. HashMap()
  2. HashMap(int initialCapacity)
  3. HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
  4. HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

方法1的源码如下:

   public HashMap() {
        //使用默认的DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

  其中的方法2本质上都是调用了方法3。initialCapacity是初始化HashMap的容量,loadFactor是在1.1.4中提到的负载因子。 方法3的源码注释如下:

 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);
    } 

方法4源码注释如下:

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

    /**
     * Implements Map.putAll and Map constructor
     *
     * @param m 要初始化的map
     * @param evict 初始化构造map时为false,其他情况为true
     */
    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        //判断当前m容量
        if (s > 0) {
            // 初始化
            if (table == null) { 
                //ft按照默认加载因子计算ft=s/0.75 +1计算出来
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            else if (s > threshold)
                //s大于threshlod,需要扩容
                resize();
            //遍历m,并通过putVal初始化数据
            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }

  

三. put过程

3.1 put的正常调用过程

put方法是HashMap的增加KV对的入口,putVal方法是具体实现,整个过程的大致流程如下:

  1. 对key的hashCode()做hash,然后再计算index;
  2. 如果没碰撞直接放到bucket里;
  3. 如果碰撞了,以链表的形式存在buckets后;
  4. 如果碰撞导致链表过长(大于等于TREEIFY_THRESHOLD),就把链表转换成红黑树;
  5. 如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
  6. 如果bucket满了(超过load factor*current capacity),就要resize
   public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    } 

3.2 put过程剖析

putVal方法的源码解析如下:

/**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash key的hash值
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent 为true不修改已经存在的值
     * @param evict 为false表示创建
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //table为空则创建
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //根据hash值计算出index,并校验当前tab中index的值是否存在
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //当前tab中index的值为空,则直接插入到tab中
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            //当前tab节点已经存在hash相同的值
            Node<K,V> e; K k;
            //分别比较hash值和key值相等,就直接替换现有的节点
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                //当前节点已经树化
                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;
                }
            }
            //把初始化的节点写入
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        //判断是否需要resize扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

  

 

 

四. 扩容

4.1 什么条件下会扩容

当向容器添加元素的时候,会判断当前容器的元素个数,如果大于等于threshold阈值(即当前数组的长度乘以加载因子的值的时候),就要自动扩容了。

4.2 如何扩容

HashMap的扩容是调用了resize方法(初始化的时候也会调用),扩容是按照两倍的大小进行的,源码如下:

final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;
        //取出tabble的大小
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        //当map不为空的时候
        if (oldCap > 0) {
            //map已经大于最大MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                //向左位移1,扩大两倍
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        //也就是HashMap初始化是调用了HashMap(initialCapacity)或者HashMap(initialCapacity,loadFactor)构造方法
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        //使用的是HashMap()构造方法
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        if (newThr == 0) {
            float ft = (float)newCap * loadFactor;
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr;
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            //当map不为空,需要赋值原有map中的数据到新table中
            ...
        }
        return newTab;
    }

  

从源码中可以看出,resize扩容是一个非常消耗性能的操作,所以在我们可以预知HashMap大小的情况下,预设的大小能够避免resize,也就能有效的提高HashMap的性能。

五. 树化与链表化

5.1 什么条件下会树化

当binCount达到阈值TREEIFY_THRESHOLD - 1的时候就会发生树化(TREEIFY_THRESHOLD = 8),也就是binCount>=7的时候就会进入到treeifyBin方法,但只有当大于MIN_TREEIFY_CAPACITY(= 64)才会触发treeify树化

 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
      treeifyBin(tab, hash);

5.2 树化算法

算法

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        // 通过hash求出bucket的位置    
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                // 将Node节点包装成TreeNode
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                // 对TreeNode链表进行树化
                hd.treeify(tab);
        }
    }

        final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
            TreeNode<K,V> root = null;
            //遍历TreeNode
            for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
                //next向前
                next = (TreeNode<K,V>)x.next;
                x.left = x.right = null;
                //当根节点为空,就赋值
                if (root == null) {
                    x.parent = null;
                    x.red = false;
                    root = x;
                }
                else {
                   //root存在,就自顶向下遍历
                    ...
                  
            }
            moveRootToFront(tab, root);
        } 

六. get过程

get方法相对于put要简单一些,源码如下:

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        //根据key取hash,算法与put中一样
        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;
        //1. 判断table不为空
        //2. table长度大于0
        //3. 与put方法一样计算tab的索引,并判断是否为空
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            //比较第一个节点的hash和key是都都相等
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                //红黑树:直接调用getTreeNode()
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
		    //链表:通过.next() 循环获取
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

  

 

 

六. 常见问题

5.1 并发常见下CPU100%问题

Hash并非是线程安全的,在并发场景下,错误的使用HashMap可能会出现CPU100%的问题 曾今有人在JDK1.4版本中的HashMap中提出过这样一个bug,官方也给出了答复“并非java或jvm的bug,而是使用不当”,当时所提出的地址是:JDK-6423457 : (coll) High cpu usage in HashMap.get() 左耳朵耗子前辈也做过分享:疫苗:JAVA HASHMAP的死循环

5.2 ConcurrentModificationException

https://blog.csdn.net/u010527630/articlehttps://img.qb5200.com/download-x/details/69917063

 

 

 

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