HashMap 源码阅读
前言
之前讀過一些類的源碼，近來發現都忘了，再讀一遍整理記錄一下。這次讀的是 JDK 11 的代碼，貼上來的源碼會去掉大部分的注釋, 也會加上一些自己的理解。
Map 接口
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這里提一下 Map 接口與1.8相比 Map接口又新增了幾個方法：
- 這些方法都是包私有的static方法；
- of()方法分別返回包含 0 - 9 個鍵值對的不可修改的Map；
- ofEntries()方法返回包含從給定的entries總提取出來的鍵值對的不可修改的* Map（不會包含給定的entries）；
- entry()方法返回包含鍵值對的不可修改的 Entry，不允許 null 作為 key 或 value；
- copyOf()返回一個不可修改的，包含給定 Map 的 entries 的 Map ，調用了ofEntries()方法.
數據結構
HashMap 是如何存儲鍵值對的呢?
HashMap 有一個屬性 table:
transient Node<K,V>[] table;table 是一個 Node 的數組, 在首次使用和需要 resize 時進行初始化; 這個數組的長度始終是2的冪, 初始化時是0, 因此能夠使用位運算來代替模運算.
HashMap的實現是裝箱的(binned, bucketed), 一個 bucket 是 table 數組中的一個元素, 而 bucket 中的元素稱為 bin .
來看一下 Node , 很顯然是一個單向鏈表:
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {final int hash;final K key;V value;Node<K,V> next;... }當然, 我們都知道 bucket 的結構是會在鏈表和紅黑樹之間相互轉換的:
// 轉換成紅黑樹 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash);// 轉換成鏈表結構 if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)tab[index] = loHead.untreeify(map);注意在?treeifyBin()?方法中:
// table 為 null 或者 capacity 小于 MIN_TREEIFY_CAPACITY 會執行 resize() 而不是轉換成樹結構 if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)resize();TreeNode 的結構和 TreeMap 相似, 并且實現了 tree 版本的一些方法:
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {TreeNode<K,V> parent; // red-black tree linksTreeNode<K,V> left;TreeNode<K,V> right;TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletionboolean red;... }initialCapacity 和 loadFactor
先看一下 HashMap 的4個構造器，可以發現3個重要的 int ：threshold，initialCapacity 和 loadFactor ，其中 threshold 和 loadFactor 是 HashMap 的私有屬性。
HashMap 的 javadoc 中有相關的解釋：
- capacity，HashMap 的哈希表中桶的數量；
- initial capacity ，哈希表創建時桶的數量；
- load factor ，在 capacity 自動增加(resize())之前，哈希表允許的填滿程度；
- threshold，下一次執行resize()時 size 的值 (capacity * load factor)，如果表沒有初始化，存放的是表的長度，為0時表的長度將會是?DEFAULT_INITIAL_CAPACITY?。
注意: 構造器中的 initialCapacity 參數并不是 table 的實際長度, 而是期望達到的值, 實際值一般會大于等于給定的值. initialCapacity 會經過tableSizeFor()?方法, 得到一個不大于 MAXIMUM_CAPACITY 的足夠大的2的冪, 來作為table的實際長度:
static final int tableSizeFor(int cap) {int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }loadFactor 的默認值是 0.75f ：
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;initialCapacity 的默認值是16：
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16capacity 的最大值是1073741824：
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;在 new 一個 HasMap 時，應該根據 mapping 數量盡量給出 initialCapacity , 減少表容量自增的次數 .?putMapEntries()?方法給出了一種計算 initialCapacity 的方法:
float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); if (t > threshold)threshold = tableSizeFor(t);這段代碼里的 t 就是 capacity .
hash() 方法
hash()?是 HashMap 用來計算 key 的 hash 值的方法, 這個方法并不是直接返回 key 的?hashCode()?方法的返回值, 而是將 hashCode 的高位移到低位后 再與原值異或.
static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); }因為 HashMap 用?hash & (table.length-1)代替了 模運算 , 如果直接使用?hashCode()?的返回值的話, 只有hash code的低位(如果 table.length 是2的n次方, 只有最低的 n - 1 位)會參加運算, 高位即使發生變化也會產生碰撞. 而?hash()?方法把 hashCode 的高位與低位異或, 相當于高位也參加了運算, 能夠減少碰撞.
舉個例子:
假設 table.length - 1 的 值為 0000 0111, 有兩個hash code : 0001 0101 和 0000 0101. 這兩個hash code 分別與 table.length - 1 做與運算之后的結果是一樣的: 0000 0101; 將這兩個hash code 的高位和低位異或之后分別得到: 0001 0100、 0000 0101, 此時再分別與 table.length - 1 做與運算的結果是 0000 0100 和 0000 0101, 不再碰撞了.
resize()
resize()?方法負責初始化或擴容 table. 如果 table 為 null 初始化 table 為 一個長度為 threshold 或 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY的表; 否則將 table 的長度加倍, 舊 table 中的元素要么呆在原來的 index 要么以2的冪為偏移量在新 table中移動:
final Node<K,V>[] resize() {Node<K,V>[] oldTab = table;int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;int oldThr = threshold;int newCap, newThr = 0;if (oldCap > 0) {if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {// 舊 table 的容量已經達到最大, 不擴容, 返回舊表threshold = Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)// 將舊容量加倍作為新表容量, 如果新表容量沒達到容量最大值, 并且舊容量大于等于默認容量, threshold 加倍newThr = oldThr << 1; // double threshold }else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold// 舊的threshold 不為 0 , 舊 threshold 作為新表的容量newCap = oldThr;else { // zero initial threshold signifies using defaults// 舊 threshold 為 0 , 用 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 作為新容量, 用默認值計算新 thresholdnewCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}if (newThr == 0) {// 之前沒有計算過新 threshold , 計算 thresholdfloat ft = (float)newCap * loadFactor;newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?(int)ft : Integer.MAX_VALUE);}threshold = newThr;@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})// 創建新表數組, 更新表引用Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];table = newTab;if (oldTab != null) {// 將舊表中的元素移動到新表for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {// 遍歷舊表Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {// 幫助 GColdTab[j] = null;if (e.next == null)// 這個桶里只有一個元素, 此處用位運算代替了模運算newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;else if (e instanceof TreeNode)// 如果這個 bucket 的結構是樹, 將這個 bucket 中的元素分為高低兩部分((e.hash & bit) == 0 就分在低的部分, bit 是 oldCap), 低的部分留在原位, 高的部分放到 newTab[j + oldCap]; 如果某一部分的元素個數小于 UNTREEIFY_THRESHOLD 將這一部分轉換成鏈表形式, 否則就形成新的樹結構((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // preserve order// 將普通結構的 bucket 中的元素分為高低兩部分, 低的部分留在原位, 高的部分放到 newTab[j + oldCap]Node<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {next = e.next;if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}else {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}}return newTab; }舉個例子解釋一下高低兩部分的劃分:
- 擴容前 table.length 是 0000 1000 記為 oldCap , table.length - 1 是 0000 0111 記為 oldN;
- 擴容后 table.length 是 0001 0000 記為 newCap, table.length - 1 為 0000 1111 記為 newN;
- 有兩個Node, hash (?hash()?方法得到的值)分別為 0000 1101 和 0000 0101 記為 n1 和 n2;
在擴容前, n1 和 n2 顯然是在一個 bucket 里的, 但在擴容后 n1 & newN 和 n2 & newN 的值分別是 0000 1101 和 0000 0101, 這是需要劃分成兩部分, 并且把屬于高部分的 bin 移動到新的 bucket 里的原因.
擴容后, hash 中只會有最低的4位參加 index 的計算, 因此可以用第4位來判斷屬于高部分還是低部分, 也就可以用?(hash & oldCap) == 0?來作為屬于低部分的依據了.
查找
查找方法只有?get()?和?getOrDefault()?兩個, 都是調用了?getNode()方法:
public V get(Object key) {Node<K,V> e;return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; }@Override public V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {Node<K,V> e;return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? defaultValue : e.value; }getNode() 方法
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) {// table 已經被初始化且 table 的長度不為 0 且 對應的 bucket 里有 binif (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// 第一個節點的 key 和 給定的 key 相同return first;if ((e = first.next) != null) {// bucket 中還有下一個 binif (first instanceof TreeNode)// 是樹結構的 bucket, 調用樹版本的 getNode 方法return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);do {// 在普通的鏈表中查找 keyif (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null; }遍歷
可以通過entrySet()、keySet()、values()分別獲得?EntrySet、KeySet()和Values對象, 他們的迭代器都是HashIterator的子類.
fast-fail 和 modCount
HashMap 不是線程安全的, 并且實現了 fast-fail 機制. 當一個迭代器被創建的時候(或者迭代器自身的 remove() 方法被調用), 會記錄當前的 modCount 作為期待中的 modCount, 并在操作中先檢查當前 modCount 是不是和舊的 modCount 相同, 不同則會拋出ConcurrentModificationException.
任何結構修改(新增或刪除節點)都會改變 modCount 的值.
新增和更新
1.8 之前有4個方法和構造器能夠往 HashMap 中添加鍵值對: 以一個Map為參數的構造器、put()、putAll()、putIfAbsent(),
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;putMapEntries(m, false); }public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true); }public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {putMapEntries(m, true); }@Override public V putIfAbsent(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, true, true); }他們分別調用了putMapEntries()和putVal(). 這兩個方法中有一個參數 evict , 僅當初始化時(構造器中)為 false.
putVal() 方法
來看一下putVal()?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)// table 未被初始化或者長度為 0 時, 執行 resize()n = (tab = resize()).length;if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)// 對應的 bucket 里沒有元素, 新建一個普通 Node 放到這個位置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))))// 第一個節點的 key 和 給定的 key 相同e = p;else if (p instanceof TreeNode)// 樹結構, 調用樹版本的 putVal, 如果樹結構中存在 key, 將會返回相應的 TreeNode, 否則返回 nulle = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {for (int binCount = 0; ; ++binCount) {if ((e = p.next) == null) {// 在鏈表中沒有找到 key, 新建一個節點放到鏈表末尾p.next = newNode(hash, key, value, null);if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st// 當前桶轉換成樹結構 treeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// key 相同 breakbreak;p = e;}}if (e != null) { // existing mapping for key// key 在 map 中存在V oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)// 覆蓋舊值e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}// key 之前在 map 中不存在, 發生了結構變化, modCount 增加 1++modCount;if (++size > threshold)// 擴容 resize();afterNodeInsertion(evict);return null; }HashMap 提供了三個回調方法:
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { } void afterNodeInsertion(boolean evict) { } void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }putMapEntries() 方法
putMapEntries()方法就簡單多了
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {int s = m.size();if (s > 0) {if (table == null) { // pre-size// table 還沒有初始化, 計算出 thresholdfloat 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 超過了 threshold, 擴容 resize();for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {// 調用 putVal() 方法, 將鍵值對放進 mapK key = e.getKey();V value = e.getValue();putVal(hash(key), key, value, false, evict);}} }刪除
刪除元素有三個方法, 還有 EntrySet 和 KeySet 的 remove 和 clear 方法:
public V remove(Object key) {Node<K,V> e;return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?null : e.value; }@Override public boolean remove(Object key, Object value) {return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null; }public void clear() {Node<K,V>[] tab;modCount++;if ((tab = table) != null && size > 0) {size = 0;for (int i = 0; i < tab.length; ++i)tab[i] = null;} }removeNode() 方法
removeNode()?方法有5個參數, 說明一下其中兩個:
- matchValue 為 true 時, 只在 value 符合的情況下刪除;
- movable 為 false 時, 刪除時不移動其他節點, 只給樹版本的刪除使用.
總結
- HashMap 是一個基于哈希表的裝箱了的 Map 的實現; 它的數據結構是一個桶的數組, 桶的結構可能是單向鏈表或者紅黑樹, 大部分是鏈表.
- table 的容量是2的冪, 因此可以用更高效的位運算替代模運算.
- HashMap 使用的 hash 值, 并不是 key 的?hashCode()方法所返回的值, 詳細還是看上面吧.
- 一個普通桶中的 bin 的數量超過?TREEIFY_THRESHOLD, 并且 table 的容量大于?MIN_TREEIFY_CAPACITY, 這個桶會被轉換成樹結構; 如果 bin 數量大于TREEIFY_THRESHOLD?, 但 table 容量小于?MIN_TREEIFY_CAPACITY, 會進行擴容.
- 每次擴容新 table 的容量是老 table 的 2 倍.
- 擴容時, 會將原來下標為 index 的桶里的 bin 分為高低兩個部分, 高的部分放到?newTab[index + oldCap]?上, 低的部分放在原位; 如果某部分的 bin 的個數小于?UNTREEIFY_THRESHOLD?樹結構將會轉換成鏈表結構.
轉自：https://www.cnblogs.com/FJH1994/p/10227048.html
轉載于:https://www.cnblogs.com/hujunzheng/p/10231097.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的HashMap 源码阅读的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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