繼上一篇文章Java集合框架綜述后，今天正式開始分析具體集合類的代碼，首先以既熟悉又陌生的HashMap開始。
簽名（signature）
public ? class ?HashMap<K,V>? extends ?AbstractMap<K,V>? implements ?Map<K,V>,?Cloneable,?Serializable? 可以看到HashMap繼承了
比較有意思的是，HashMap同時繼承了抽象類AbstractMap與接口Map，因為抽象類AbstractMap的簽名為
public ? abstract ? class ?AbstractMap<K,V>? implements ?Map<K,V>? Stack Overfloooow 上解釋到：
在語法層面繼承接口Map是多余的，這么做僅僅是為了讓閱讀代碼的人明確知道HashMap是屬于Map體系的，起到了文檔的作用
AbstractMap相當于個輔助類，Map的一些操作這里面已經提供了默認實現，后面具體的子類如果沒有特殊行為，可直接使用AbstractMap提供的實現。
Cloneable 接口
<code>It 's?evil,?don' t?use?it.?</code>? Cloneable這個接口設計的非常不好，最致命的一點是它里面竟然沒有clone方法，也就是說我們自己寫的類完全可以實現這個接口的同時不重寫clone方法。
關于Cloneable的不足，大家可以去看看《Effective Java》一書的作者給出的理由，在所給鏈接的文章里，Josh Bloch也會講如何實現深拷貝比較好，我這里就不在贅述了。
Map 接口
在Eclipse中的outline面板可以看到Map接口里面包含以下成員方法與內部類：
Map_field_method
可以看到，這里的成員方法不外乎是“增刪改查”，這也反映了我們編寫程序時，一定是以“數據”為導向的。
在上篇文章講了Map雖然并不是Collection，但是它提供了三種“集合視角”（collection views），與下面三個方法一一對應：
Set<K> keySet()，提供key的集合視角
Collection<V> values()，提供value的集合視角
Set<Map.Entry<K, V>> entrySet()，提供key-value序對的集合視角，這里用內部類Map.Entry表示序對
AbstractMap抽象類
AbstractMap對Map中的方法提供了一個基本實現，減少了實現Map接口的工作量。
舉例來說：
如果要實現個不可變（unmodifiable）的map，那么只需繼承AbstractMap，然后實現其entrySet方法，這個方法返回的set不支持add與remove，同時這個set的迭代器（iterator）不支持remove操作即可。
相反，如果要實現個可變（modifiable）的map，首先繼承AbstractMap，然后重寫（override）AbstractMap的put方法，同時實現entrySet所返回set的迭代器的remove方法即可。
設計理念（design concept）
哈希表（hash table）
HashMap是一種基于哈希表（hash table）實現的map，哈希表（也叫關聯數組）一種通用的數據結構，大多數的現代語言都原生支持，其概念也比較簡單：key經過hash函數作用后得到一個槽（buckets或slots）的索引（index），槽中保存著我們想要獲取的值，如下圖所示
hash table demo
很容易想到，一些不同的key經過同一hash函數后可能產生相同的索引，也就是產生了沖突，這是在所難免的。
設計個好的hash函數，使沖突盡可能的減少
其次是需要解決發生沖突后如何處理。
后面會重點介紹HashMap是如何解決這兩個問題的。
HashMap的一些特點
線程非安全，并且允許key與value都為null值，HashTable與之相反，為線程安全，key與value都不允許null值。
不保證其內部元素的順序，而且隨著時間的推移，同一元素的位置也可能改變（resize的情況）
put、get操作的時間復雜度為O(1)。
遍歷其集合視角的時間復雜度與其容量（capacity，槽的個數）和現有元素的大小（entry的個數）成正比，所以如果遍歷的性能要求很高， 不要把capactiy設置的過高或把平衡因子（load factor，當entry數大于capacity*loadFactor時，會進行resize，reside會導致key進行rehash）設置的過 低。
由于HashMap是線程非安全的，這也就是意味著如果多個線程同時對一hashmap的集合試圖做迭代時有結構的上改變（添加、刪除entry，只改變entry的value的值不算結構改變），那么會報ConcurrentModificationException，專業術語叫fail-fast，盡早報錯對于多線程程序來說是很有必要的。
Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(...));?通過這種方式可以得到一個線程安全的map。
源碼剖析
首先從構造函數開始講，HashMap遵循集合框架的約束，提供了一個參數為空的構造函數與有一個參數且參數類型為Map的構造函數。除此之外，還提供了兩個構造函數，用于設置HashMap的容量（capacity）與平衡因子（loadFactor）。
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;? ????threshold?=?initialCapacity;? ????init();? }? public ?HashMap( int ?initialCapacity)?{? ????this (initialCapacity,?DEFAULT_LOAD_FACTOR);? }? public ?HashMap()?{? ????this (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY,?DEFAULT_LOAD_FACTOR);? }? ? 從代碼上可以看到，容量與平衡因子都有個默認值，并且容量有個最大值? ? ? ? ? static ? final ? int ?DEFAULT_INITIAL_CAPACITY?=? 1 ?<<? 4 ;? ? ? ? ? ? ? static ? final ? int ?MAXIMUM_CAPACITY?=? 1 ?<<? 30 ;? ? ? ? static ? final ? float ?DEFAULT_LOAD_FACTOR?=? 0 .75f;? 可以看到，默認的平衡因子為0.75，這是權衡了時間復雜度與空間復雜度之后的最好取值（JDK說是最好的），過高的因子會降低存儲空間但是查找（lookup，包括HashMap中的put與get方法）的時間就會增加。
這里比較奇怪的是問題：容量必須為2的指數倍（默認為16），這是為什么呢？解答這個問題，需要了解HashMap中哈希函數的設計原理。
哈希函數的設計原理
? ? ? ? ? ? ? final ? int ?hash(Object?k)?{? ?????int ?h?=?hashSeed;? ?????if ?( 0 ?!=?h?&&?k? instanceof ?String)?{? ?????????return ?sun.misc.Hashing.stringHash32((String)?k);? ?????}? ?????h?^=?k.hashCode();? ?????? ?????? ?????? ?????h?^=?(h?>>>?20 )?^?(h?>>>? 12 );? ?????return ?h?^?(h?>>>? 7 )?^?(h?>>>? 4 );? }? ? ? ? static ? int ?indexFor( int ?h,? int ?length)?{? ?????? ?????return ?h?&?(length- 1 );? }? 看到這么多位操作，是不是覺得暈頭轉向了呢，還是搞清楚原理就行了，畢竟位操作速度是很快的，不能因為不好理解就不用了。
網上說這個問題的也比較多，我這里根據自己的理解，盡量做到通俗易懂。
在哈希表容量（也就是buckets或slots大小）為length的情況下，為了使每個key都能在沖突最小的情況下映射到[0,length)（注意是左閉右開區間）的索引（index）內，一般有兩種做法：
讓length為素數，然后用hashCode(key) mod length的方法得到索引
讓length為2的指數倍，然后用hashCode(key) & (length-1)的方法得到索引
HashTable 用的是方法1，HashMap用的是方法2。
因為本篇主題講的是HashMap，所以關于方法1為什么要用素數，我這里不想過多介紹，大家可以看這里。
重點說說方法2的情況，方法2其實也比較好理解：
因為length為2的指數倍，所以length-1所對應的二進制位都為1，然后在與hashCode(key)做與運算，即可得到[0,length)內的索引
但是這里有個問題，如果hashCode(key)的大于length的值，而且hashCode(key)的二進制位的低位變化不大，那么沖突就會很多，舉個例子：
Java中對象的哈希值都32位整數，而HashMap默認大小為16，那么有兩個對象那么的哈希值分別為：0xABAB0000與0xBABA0000，它們的后幾位都是一樣，那么與16異或后得到結果應該也是一樣的，也就是產生了沖突。
造成沖突的原因關鍵在于16限制了只能用低位來計算，高位直接舍棄了，所以我們需要額外的哈希函數而不只是簡單的對象的hashCode方法了。
具體來說，就是HashMap中hash函數干的事了
首先有個隨機的hashSeed，來降低沖突發生的幾率
然后如果是字符串，用了sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);來獲取索引值
最后，通過一系列無符號右移操作，來把高位與低位進行異或操作，來降低沖突發生的幾率
右移的偏移量20，12，7，4是怎么來的呢？因為Java中對象的哈希值都是32位的，所以這幾個數應該就是把高位與低位做異或運算，至于這幾個數是如何選取的，就不清楚了，網上搜了半天也沒統一且讓人信服的說法，大家可以參考下面幾個鏈接：
http://stackoverflow.com/questions/7922019/openjdks-rehashing-mechanism/7922219#7922219
http://stackoverflow.com/questions/9335169/understanding-strange-java-hash-function/9336103#9336103
http://stackoverflow.com/questions/14453163/can-anybody-explain-how-java-design-hashmaps-hash-function/14479945#14479945
HashMap.Entry
HashMap中存放的是HashMap.Entry對象，它繼承自Map.Entry，其比較重要的是構造函數
static ? class ?Entry<K,V>? implements ?Map.Entry<K,V>?{? ????final ?K?key;? ????V?value;? ????Entry<K,V>?next;? ????int ?hash;? ????Entry(int ?h,?K?k,?V?v,?Entry<K,V>?n)?{? ????????value?=?v;? ????????next?=?n;? ????????key?=?k;? ????????hash?=?h;? ????}? ????? ????public ? final ? int ?hashCode()?{? ????????? ????????return ?Objects.hashCode(getKey())?^?Objects.hashCode(getValue());? ????}? ????? ? ? ? ? ????void ?recordAccess(HashMap<K,V>?m)?{? ????}? ????? ? ? ? ????void ?recordRemoval(HashMap<K,V>?m)?{? ????}? }? 可以看到，Entry實現了單向鏈表的功能，用next成員變量來級連起來。
介紹完Entry對象，下面要說一個比較重要的成員變量
/**
你也許會疑問，Entry不是單向鏈表嘛，怎么這里又需要個數組類型的table呢？
我翻了下之前的算法書，其實這是解決沖突的一個方式：鏈地址法（開散列法），效果如下：
鏈地址法處理沖突得到的散列表
就是相同索引值的Entry，會以單向鏈表的形式存在
鏈地址法的可視化
網上找到個很好的網站，用來可視化各種常見的算法，很棒。瞬間覺得國外大學比國內的強不知多少倍。
下面的鏈接可以模仿哈希表采用鏈地址法解決沖突，大家可以自己去玩玩
get操作
get操作相比put操作簡單，所以先介紹get操作
public ?V?get(Object?key)?{? ????? ????if ?(key?==? null )? ????????return ?getForNullKey();? ????Entry<K,V>?entry?=?getEntry(key);? ????return ? null ?==?entry??? null ?:?entry.getValue();? }? 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 ;? }? 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 ;? }? put操作（含update操作）
因為put操作有可能需要對HashMap進行resize，所以實現略復雜些
private ? void ?inflateTable( int ?toSize)?{? ????? ????? ????int ?capacity?=?roundUpToPowerOf2(toSize);? ????? ????threshold?=?(int )?Math.min(capacity?*?loadFactor,?MAXIMUM_CAPACITY?+? 1 );? ????table?=?new ?Entry[capacity];? ????initHashSeedAsNeeded(capacity);? }? ? ? ? ? ? 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 ;? }? 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++;? }? ? 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];? ????? ????transfer(newTable,?initHashSeedAsNeeded(newCapacity));? ????table?=?newTable;? ????threshold?=?(int )Math.min(newCapacity?*?loadFactor,?MAXIMUM_CAPACITY?+? 1 );? }? ? ? ? void ?transfer(Entry[]?newTable,? boolean ?rehash)?{? ????int ?newCapacity?=?newTable.length;? ????? ????for ?(Entry<K,V>?e?:?table)?{? ????????while ( null ?!=?e)?{? ????????????Entry<K,V>?next?=?e.next;? ????????????if ?(rehash)?{? ????????????????e.hash?=?null ?==?e.key??? 0 ?:?hash(e.key);? ????????????}? ????????????int ?i?=?indexFor(e.hash,?newCapacity);? ????????????e.next?=?newTable[i];? ????????????? ????????????? ????????????newTable[i]?=?e;? ????????????e?=?next;? ????????}? ????}? }? ? ? ? ? final ? boolean ?initHashSeedAsNeeded( int ?capacity)?{? ????boolean ?currentAltHashing?=?hashSeed?!=? 0 ;? ????boolean ?useAltHashing?=?sun.misc.VM.isBooted()?&&? ????????????(capacity?>=?Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);? ????? ????? ????? ????boolean ?switching?=?currentAltHashing?^?useAltHashing;? ????if ?(switching)?{? ????????hashSeed?=?useAltHashing? ??????????????sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this )? ????????????:?0 ;? ????}? ????return ?switching;? }? remove操作
public ?V?remove(Object?key)?{? ????Entry<K,V>?e?=?removeEntryForKey(key);? ????? ????return ?(e?==? null ??? null ?:?e.value);? }? final ?Entry<K,V>?removeEntryForKey(Object?key)?{? ????if ?(size?==? 0 )?{? ????????return ? null ;? ????}? ????int ?hash?=?(key?==? null )??? 0 ?:?hash(key);? ????int ?i?=?indexFor(hash,?table.length);? ????? ????? ????Entry<K,V>?prev?=?table[i];? ????Entry<K,V>?e?=?prev;? ????? ????while ?(e?!=? null )?{? ????????Entry<K,V>?next?=?e.next;? ????????Object?k;? ????????if ?(e.hash?==?hash?&&? ????????????((k?=?e.key)?==?key?||?(key?!=?null ?&&?key.equals(k))))?{? ????????????modCount++;? ????????????size--;? ????????????if ?(prev?==?e)? ? ????????????????table[i]?=?next;? ????????????else ? ????????????????prev.next?=?next;? ????????????e.recordRemoval(this );? ????????????return ?e;? ????????}? ????????prev?=?e;? ????????e?=?next;? ????}? ????return ?e;? }? 到現在為止，HashMap的增刪改查都介紹完了。
HashMap的序列化
介紹到這里，基本上算是把HashMap中一些核心的點講完了，但還有個比較嚴重的問題：保存Entry的table數組為transient的，也就是說在進行序列化時，并不會包含該成員，這是為什么呢？
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
為了解答這個問題，我們需要明確下面事實：
我們可以試想下面的場景：
我們在機器A上算出對象A的哈希值與索引，然后把它插入到HashMap中，然后把該HashMap序列化后，在機器B上重新算對象的哈希值與索引，這與機器A上算出的是不一樣的，所以我們在機器B上get對象A時，會得到錯誤的結果。
所以說，當序列化一個HashMap對象時，保存Entry的table是不需要序列化進來的，因為它在另一臺機器上是錯誤的。
因為這個原因，HashMap重現了writeObject與readObject?方法
private ? void ?writeObject(java.io.ObjectOutputStream?s)? ????throws ?IOException? {? ????? ????s.defaultWriteObject();? ? ????? ????if ?(table==EMPTY_TABLE)?{? ????????s.writeInt(roundUpToPowerOf2(threshold));? ????}?else ?{? ???????s.writeInt(table.length);? ????}? ? ????? ????s.writeInt(size);? ? ????? ????if ?(size?>? 0 )?{? ????????for (Map.Entry<K,V>?e?:?entrySet0())?{? ????????????s.writeObject(e.getKey());? ????????????s.writeObject(e.getValue());? ????????}? ????}? }? ? private ? static ? final ? long ?serialVersionUID?=?362498820763181265L;? ? private ? void ?readObject(java.io.ObjectInputStream?s)? ?????throws ?IOException,?ClassNotFoundException? {? ????? ????s.defaultReadObject();? ????if ?(loadFactor?<=? 0 ?||?Float.isNaN(loadFactor))?{? ????????throw ? new ?InvalidObjectException( "Illegal?load?factor:?" ?+? ???????????????????????????????????????????loadFactor);? ????}? ? ????? ????table?=?(Entry<K,V>[])?EMPTY_TABLE;? ? ????? ????s.readInt();?? ? ????? ????int ?mappings?=?s.readInt();? ????if ?(mappings?<? 0 )? ????????throw ? new ?InvalidObjectException( "Illegal?mappings?count:?" ?+? ???????????????????????????????????????????mappings);? ? ????? ????int ?capacity?=?( int )?Math.min(? ????????????????mappings?*?Math.min(1 ?/?loadFactor,? 4 .0f),? ????????????????? ????????????????HashMap.MAXIMUM_CAPACITY);? ? ????? ????if ?(mappings?>? 0 )?{? ????????inflateTable(capacity);? ????}?else ?{? ????????threshold?=?capacity;? ????}? ? ????init();??? ? ????? ????for ?( int ?i?=? 0 ;?i?<?mappings;?i++)?{? ????????K?key?=?(K)?s.readObject();? ????????V?value?=?(V)?s.readObject();? ????????putForCreate(key,?value);? ????}? }? private ? void ?putForCreate(K?key,?V?value)?{? ????int ?hash?=? null ?==?key??? 0 ?:?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?!=?null ?&&?key.equals(k))))?{? ????????????e.value?=?value;? ????????????return ;? ????????}? ????}? ? ????createEntry(hash,?key,?value,?i);? }? 簡單來說，在序列化時，針對Entry的key與value分別單獨序列化，當反序列化時，再單獨處理即可。
總結
在總結完HashMap后，發現這里面一些核心的東西，像哈希表的沖突解決，都是算法課上學到，不過由于“年代久遠”，已經忘得差不多了，我覺得忘
一方面是由于時間久不用
另一方面是由于本身沒理解好
平時多去思考，這樣在遇到一些性能問題時也好排查。
還有一點就是我們在分析某些具體類或方法時，不要花太多時間一些細枝末節的邊界條件上，這樣很得不償失，倒不是說這么邊界條件不重要，程序的bug往往就是邊界條件沒考慮周全導致的。
只是說我們可以在理解了這個類或方法的總體思路后，再來分析這些邊界條件。
如果一開始就分析，那真是丈二和尚——摸不著頭腦了，隨著對它工作原理的加深，才有可能理解這些邊界條件的場景。
from:?http://developer.51cto.com/art/201509/491119.htm
總結
以上是生活随笔 為你收集整理的Java集合框架之 Java HashMap 源码解析 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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