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入门JDK集合 入门JDK集合之HashMap解析

兴趣使然的草帽路飞   2021-06-11 我要评论
想了解入门JDK集合之HashMap解析的相关内容吗,兴趣使然的草帽路飞在本文为您仔细讲解入门JDK集合的相关知识和一些Code实例,欢迎阅读和指正,我们先划重点:JDK集合,HashMap解析,HashMap入门,下面大家一起来学习吧。

0.前言

HashMap简述:

  • HashMap 基于哈希表的 Map 接口实现,是以 key-value 存储形式存在,即主要用来存放键值对。HashMap 的实现不是同步的,这意味着它不是线程安全的。它的 key、value 都可以为 null,此外,HashMap 中的映射不是有序的。
  • jdk1.8 之前 HashMap 由 数组 + 链表 组成,数组是 HashMap 的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突(两个对象调用的 hashCode 方法计算的哈希值经哈希函数算出来的地址被别的元素占用)而存在的(“拉链法”解决冲突)。jdk1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化,当链表长度大于阈值(或者红黑树的边界值,默认为 8 )并且当前数组的长度大于 64 时,此时此索引位置上的所有数据改为使用红黑树存储。

HashMap扩容机制简述:

HashMap == 数组+散链表+红黑树

  • HashMap 默认初始桶位数16,如果某个桶中的链表长度大于8,则先进行判断:
  • 如果桶位数小于64,则先进行扩容(2倍),扩容之后重新计算哈希值,这样桶中的链表长度就变短了(之所以链表长度变短与桶的定位方式有关,请接着往下看)。
  • 如果桶位数大于64,且某个桶中的链表长度大于8,则对链表进行树化(红黑树,即自平衡的二叉树)
  • 如果红黑树的节点数小于6,树也会重新变会链表。

所以得出树化条件:链表阈值大于8,且桶位数大于64(数组长度),才进行树化。

元素放入桶(数组)中,定位桶的方式:通过数组下标 i 定位,添加元素时,目标桶位置 i 的计算公式,i = hash & (cap - 1),cap为容量。

为什么优先扩容桶位数(数组长度),而不是直接树化?

  • 这样做的目的是因为,当桶位数(数组长度)比较小时,应尽量避开红黑树结构,这种情况下变为红黑树结构,反而会降低效率。因为红黑树需要逬行左旋,右旋,变色这些操作来保持平衡。同时数组长度小于64时,搜索时间相对要快些。所以结上所述为了提高性能和减少搜索时间,底层阈值大于8并且数组长度大于64时,链表才转换为红黑树,具体可以参考下文要讲述的 treeifyBin() 方法。
  • 而当阈值大于 8 并且数组长度大于 64 时,虽然增了红黑树作为底层数据结构,结构变得复杂了,但是,长度较长的链表转换为红黑树时,效率也变高了。

HashMap 特点:

  • 存储无序;
  • 键和值位置都可以是 null,但是键位置只能存在一个 null;
  • 键位置是唯一的,是由底层的数据结构控制的;jdk1.8 前数据结构是链表+数组,jdk1.8 之后是链表+数组+红黑树;
  • 阈值(边界值)> 8 并且桶位数(数组长度)大于 64,才将链表转换为红黑树,变为红黑树的目的是为了高效的查询;

1.HashMap存储数据的过程

注意:相对于直接去读HashMap源码来说,先debug一下其执行数据存储的流程,更方便大家理解!

测试代码:

@Test
public void test01() {
    HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap();
    hashMap.put("a", 3);
    hashMap.put("b", 4);
    hashMap.put("c", 5);
    hashMap.put("a", 88888);// 修改
    System.out.println(hashMap);
}

输出结果:

{a=88888, b=456, c=789}

执行流程分析:

1.首先,HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap();当创建 HashMap 集合对象的时候,HashMap 的构造方法并没有创建数组,而是在第一次调用 put 方法时创建一个长度是16 的数组(即,16个桶) ,Node[] table (jdk1.8 之前是 Entry[] table)用来存储键值对数据。

2.当向哈希表中存储put("a", 3)的数据时,根据"a"字符串调用 String 类中重写之后的 hashCode() 方法计算出哈希值,然后结合数组长度(桶数量)采用某种算法计算出向 Node 数组中存储数据的空间索引值(比如table[i],这里的i就是该Node数组的空间索引)。如果计算出的索引空间没有数据(即,这个桶是空的),则直接将<"a", 3>存储到数组中。

举例:如果计算出的索引是 3,则存储到如下桶位:

在这里插入图片描述

3.当向哈希表中存储数据<"b", 4>时,假设算出的 hashCode() 方法结合数祖长度计算出的索引值也是3,那么此时数组空间不是 null(即,这个桶目前不为空),此时底层会比较 "a""b" 的 hash 值是否一致,如果不一致,则在空间上划出一个结点来存储键值对数据对 <"b", 4>,这种方式称为拉链法。

4.当向哈希表中存储数据<"a", 88888>时,那么首先根据 "a"调用 hashCode() 方法结合数组长度计算出索引肯定是 3,此时比较后存储的数据"a"和已经存在的数据的 hash 值是否相等,如果 hash 值相等,此时发生哈希碰撞。那么底层会调用 "a"所属类 String 中的 equals() 方法比较两个内容是否相等:

相等:将后添加的数据的 value 覆盖之前的 value。

不相等:继续向下和其他的数据的 key 进行比较,如果都不相等,则划出一个结点存储数据,如果结点长度即链表长度大于阈值 8 并且数组长度大于 64 则将链表变为红黑树。


在这里插入图片描述

5.在不断的添加数据的过程中,会涉及到扩容问题,当超出阈值(且要存放的位置非空)时,扩容。默认的扩容方式:扩容为原来容量的 2 倍,并将原有的数据复制过来。

6.综上描述,当位于一个表中的元素较多,即 hash 值相等但是内容不相等的元素较多时,通过 key 值依次查找的效率较低。而 jdk1.8 中,哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现,当链表长度(阈值)超过8且当前数组的长度大于64时,将链表转换为红黑树,这样大大减少了查找时间。

简单的来说,哈希表是由数组+链表+红黑树(JDK1.8增加了红黑树部分)实现的。如下图所示:


在这里插入图片描述

7.jdk1.8 中引入红黑树的进一步原因:

  1. jdk1.8 以前 HashMap 的实现是数组+链表,即使哈希函数取得再好,也很难达到元素百分百均匀分布。当 HashMap 中有大量的元素都存放到同一个桶中时,这个桶下有一条长长的链表,这个时候 HashMap 就相当于一个单链表,假如单链表有n个元素,遍历的时间复杂度就是O(n),完全失去了它的优势。
  2. 针对这种情况,jdk1.8 中引入了红黑树(查找时间复杂度为 O(logn))来优化这个问题。当链表长度很小的时候,即使遍历,速度也非常快,但是当链表长度不断变长,肯定会对查询性能有一定的影响,所以才需要转成树。

8.总结

在这里插入图片描述

说明:

  • size 表示 HashMap 中键值对的实时数量(即,所存储元素的数量),注意这个不等于数组的长度
  • threshold(临界值)= capacity(容量)* loadFactor(负载因子)。这个值是当前已占用数组长度的最大值。size 超过这个值就重新 resize(扩容),扩容后的 HashMap 容量是之前容量的2倍。

 2.HashMap相关面试题

具体原理我们下文会具体分析,这里先大概了解下面试的时候会问什么,带着问题去读源码,便于理解!

1.shMap 中 hash 函数是怎么实现的?还有哪些hash函数的实现方式?

答:

  1. 对 key 的 hashCode 做 hash 操作,如果key为null则直接赋哈希值为0,否则,无符号右移 16 位然后做异或位运算,如,代码所示:(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
  2. 除上面的方法外,还有平方取中法,伪随机数法 和 取余数法。这三种效率都比较低,而无符号右移 16 位异或运算效率是最高的。

2.当两个对象的 hashCode 相等时会怎么样?

答:会产生哈希碰撞。若 key 值内容相同则替换旧的 value,不然连接到链表后面,链表长度超过阈值 8 就转换为红黑树存储。

3.什么是哈希碰撞,如何解决哈希碰撞?

答:只要两个元素的 key 计算的哈希码值相同就会发生哈希碰撞。jdk8 之前使用链表解决哈希碰撞。jdk8之后使用链表 + 红黑树解决哈希碰撞。

4.如果两个键的 hashCode 相同,如何存储键值对?

答:通过 equals 比较内容是否相同。

  1. 相同:则新的 value 覆盖之前的 value。
  2. 不相同:遍历该桶位的链表(或者树):
    1. 如果找到相同key,则覆盖该key对应的value;
    2. 如果找不到,则将新的键值对添加到链表(或者树)中;

3.HashMap继承体系

在这里插入图片描述
从继承体系可以看出:

  • HashMap 实现了Cloneable接口,可以被克隆。
  • HashMap 实现了Serializable接口,属于标记性接口,HashMap 对象可以被序列化和反序列化。
  • HashMap 继承了AbstractMap,父类提供了 Map 实现接口,具有Map的所有功能,以最大限度地减少实现此接口所需的工作。

知识扩展:

通过上述继承关系我们发现一个很奇怪的现象,就是 HashMap 已经继承了AbstractMap 而 AbstractMap 类实现了Map 接口,那为什么 HashMap 还要在实现 Map 接口呢?同样在 ArrayList 中 LinkedLis 中都是这种结构。

据 Java 集合框架的创始人 Josh Bloch 描述,这样的写法是一个失误。在 Java 集合框架中,类似这样的写法很多,最幵始写 Java 集合框架的时候,他认为这样写,在某些地方可能是有价值的,直到他意识到错了。显然的,jdk 的维护者,后来不认为这个小小的失误值得去修改,所以就这样保留下来了。

存储结构(再过一遍)


在这里插入图片描述

在Java中,HashMap的实现采用了(数组 + 链表 + 红黑树)的复杂结构,数组的一个元素又称作桶。

在添加元素时,会根据hash值算出元素在数组中的位置,如果该位置没有元素,则直接把元素放置在此处,如果该位置有元素了,则把元素以链表的形式放置在链表的尾部

当一个链表的元素个数达到一定的数量(且数组的长度达到一定的长度)后,则把链表转化为红黑树,从而提高效率

数组的查询效率为O(1),链表的查询效率是O(k),红黑树的查询效率是O(log k),k为桶中的元素个数,所以当元素数量非常多的时候,转化为红黑树能极大地提高效率。

4.HashMap基本属性与常量

/*
 * 序列化版本号
 */
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
/**
 * HashMap的初始化容量(必须是 2 的 n 次幂)默认的初始容量为16
 */
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
/**
 * 最大的容量为2的30次方
 */
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
 * 默认的装载因子
 */
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
 * 树化阈值,当一个桶中的元素个数大于等于8时进行树化
 */
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
/**
 * 树降级为链表的阈值,当一个桶中的元素个数小于等于6时把树转化为链表
 */
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/**
 * 当桶的个数达到64的时候才进行树化
 */
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
/**
 * Node数组,又叫作桶(bucket)
 */
transient Node<K,V>[] table;
/**
 * 作为entrySet()的缓存
 */
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
/**
 * 元素的数量
 */
transient int size;
/**
 * 修改次数,用于在迭代的时候执行快速失败策略
 */
transient int modCount;
/**
 * 当桶的使用数量达到多少时进行扩容,threshold = capacity * loadFactor
 */
int threshold;
/**
 * 装载因子
 */
final float loadFactor;

(1)容量:容量为数组的长度,亦即桶的个数,默认为16 ,最大为2的30次方,当容量达到64时才可以树化。

(2)装载因子:装载因子用来计算容量达到多少时才进行扩容,默认装载因子为0.75。

(3)树化:树化,当容量达到64且链表的长度达到8时进行树化,当链表的长度小于6时反树化。

4.1 DEFAULT_INITIAL_CAPACITY

集合的初始化容量(必须是 2 的 n 次幂):

// 默认的初始容量是16	1 << 4 相当于 1*2的4次方
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;

面试问题:为什么必须是 2 的 n 次幂?如果输入值不是 2 的幂比如 10 会怎么样?

HashMap 构造方法可以指定集合的初始化容量大小,如:

// 构造一个带指定初始容量和默认负载因子(0.75)的空 HashMap。
HashMap(int initialCapacity)

根据上述讲解我们已经知道,当向 HashMap 中添加一个元素的时候,需要根据 key 的 hash 值,去确定其在数组中的具体位置。HashMap 为了存取高效,减少碰撞,就是要尽量把数据分配均匀,每个链表长度大致相同,这个实现的关键就在把数据存到哪个链表中的算法。

这个算法实际就是取模,hash % length,而计算机中直接求余效率不如位移运算。所以源码中做了优化,使用 hash & (length - 1),而实际上 hash % length 等于 hash & ( length - 1) 的前提是 length 是 2 的 n 次幂。(这段话是摘抄传智播客锁哥的,这个解释确实很完美!)

例如,数组长度为 8 的时候,3 & (8 - 1) = 3,2 & (8 - 1) = 2,桶的位置是(数组索引)3和2,不同位置上,不碰撞。

再来看一个数组长度(桶位数)不是2的n次幂的情况:

在这里插入图片描述

从上图可以看出,当数组长度为9(非2 的n次幂)的时候,不同的哈希值hash, hash & (length - 1)所得到的数组下标相等(很容易出现哈希碰撞)。

小结一下HashMap数组容量使用2的n次幂的原因:(面试也会问)

在这里插入图片描述


问题:如果创建HashMap对象时,输入的数组长度length是10,而不是2的n次幂会怎么样呢?

HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap(10);

HashMap双参构造函数会通过tableSizeFor(initialCapacity)方法,得到一个最接近length且大于length的2的n次幂数(比如最接近10且大于10的2的n次幂数是16)

这一块儿比较难理解,下文讲构造方法的时候还会再举例一个例子:

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;
}

说明:

当在实例化 HashMap 实例时,如果给定了 initialCapacity,由于 HashMap 的 capacity 必须是 2 的幂,因此这个方法tableSizeFor(initialCapacity);用于找到大于等于 initialCapacity 的最小的 2 的幂。

分析:

int n = cap - 1;为什么要减去1呢?

防止 cap 已经是 2 的幂。如果 cap 已经是 2 的幂,又没有这个减 1 操作,则执行完后面的几条无符号操作之后,返回的 capacity 将是这个 cap 的 2 倍(后面还会再举个例子讲这个)。

最后为什么有个 n + 1 的操作呢?

如果 n 这时为 0 了(经过了cap - 1后),则经过后面的几次无符号右移依然是 0,返回0是肯定不行的,所以最后返回n+1最终得到的 capacity 是1。

注意:容量最大也就是 32bit 的正数,因此最后 n |= n >>> 16;最多也就 32 个 1(但是这已经是负数了,在执行 tableSizeFor 之前,对 initialCapacity 做了判断,如果大于MAXIMUM_CAPACITY(2 ^ 30),则取 MAXIMUM_CAPACITY。如果等于MAXIMUM_CAPACITY,会执行位移操作。所以这里面的位移操作之后,最大 30 个 1,不会大于等于 MAXIMUM_CAPACITY。30 个 1,加 1 后得 2 ^ 30)。

完整例子:

在这里插入图片描述

所以由结果可得,当执行完tableSizeFor(initialCapacity);方法后,得到的新capacity是最接近initialCapacity且大于initialCapacity的2的n次幂的数。

4.2 DEFAULT_LOAD_FACTOR

默认的负载因子(默认值 0.75)

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

4.3 MAXIMUM_CAPACITY

集合最大容量

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 2的30次幂

4.4 TREEIFY_THRESHOLD

当链表的值超过8则会转为红黑树(jdk1.8新增)

// 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

面试问题:为什么 Map 桶中结点个数超过 8 才转为红黑树?

8这个阈值定义在HashMap中,针对这个成员变量,在源码的注释中只说明了 8 是 bin( bucket 桶)从链表转成树的阈值,但是并没有说明为什么是 8。

在 HashMap 中有一段注释说明:

Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we use them only when bins
contain enough nodes to warrant use (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too
small (due to removal or resizing) they are converted back to plain bins.  In usages with
well-distributed user hashCodes, tree bins are rarely used.  Ideally, under random hashCodes, 
the frequency of nodes in bins follows a Poisson distribution 
(http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) 
with a parameter of about 0.5 on average for the default resizing
threshold of 0.75, although with a large variance because of resizing granularity. Ignoring variance, 
the expected occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) / factorial(k)). The first values are:
翻译:因为树结点的大小大约是普通结点的两倍,所以我们只在箱子包含足够的结点时才使用树结点(参见TREEIFY_THRESHOLD)。
当它们变得太小(由于删除或调整大小)时,就会被转换回普通的桶。在使用分布良好的用户 hashCode 时,很少使用树箱。
理想情况下,在随机哈希码下,箱子中结点的频率服从泊松分布。
默认调整阈值为0.75,平均参数约为0.5,尽管由于调整粒度的差异很大。忽略方差,列表大小k的预朗出现次数是(exp(-0.5)*pow(0.5, k) / factorial(k)
第一个值是:
0:    0.60653066
1:    0.30326533
2:    0.07581633
3:    0.01263606
4:    0.00157952
5:    0.00015795
6:    0.00001316
7:    0.00000094
8:    0.00000006
more: less than 1 in ten million

TreeNodes(树) 占用空间是普通 Nodes(链表) 的两倍,所以只有当 bin(bucket 桶) 包含足够多的结点时才会转成 TreeNodes,而是否足够多就是由 TREEIFY_THRESH〇LD 的值决定的。当 bin(bucket 桶) 中结点数变少时,又会转成普通的 bin(bucket 桶)。并且我们查看源码的时候发现,链表长度达到 8 就转成红黑树,当长度降到 6 就转成普通 bin(bucket 桶)。

这样就解释了为什么不是一开始就将其转换为 TreeNodes,而是需要一定结点数之后才转为 TreeNodes,说白了就是权衡空间和时间。

这段内容还说到:当 hashCode 离散性很好的时候,树型 bin 用到的概率非常小,因为数据均匀分布在每个 bin 中,几乎不会有 bin 中链表长度会达到阈值。但是在随机 hashCode 下,离散性可能会变差,然而 jdk 又不能阻止用户实现这种不好的 hash 算法,因此就可能导致不均匀的数据分布。不理想情况下随机 hashCode 算法下所有 bin 中结点的分布频率会遵循泊松分布,我们可以看到,一个 bin 中链表长度达到 8 个元素的槪率为 0.00000006,几乎是不可能事件。所以,之所以选择 8,不是随便決定的,而是裉据概率统计决定的。甶此可见,发展将近30年的 Java 每一项改动和优化都是非常严谨和科学的。

面试答案:hashCode 算法下所有 桶 中结点的分布频率会遵循泊松分布,这时一个桶中链表长度超过 8 个元素的槪率非常小,权衡空间和时间复杂度,所以选择 8 这个数宇。

扩展补充:

Poisson 分布(泊松分布),是一种统计与概率学里常见到的离散[概率分布]。泊松分布的概率函数为:

公式

泊松分布的参数 A 是单位时间(或单位面积)内随机事件的平均发生次数。泊松分布适合于描述单位时间内随机事件发生的次数。

以下是我在研究这个问题时,在一些资料上面翻看的解释,供大家参考:

红黑树的平均查找长度是 log(n),如果长度为 8,平均查找长度为 log(8) = 3,链表的平均查找长度为 n/2,当长度为 8 时,平均查找长虔为 8/2 = 4,这才有转换成树的必要;链表长度如果是小于等于 6, 6/2 = 3,而 log(6) = 2.6,虽然速度也很快的,但是转化为树结构和生成树的时间并不会太短。

4.5 UNTREEIFY_THRESHOLD

当链表的值小于 6 则会从红黑树转回链表

// 当桶(bucket)上的结点数小于这个值,树转为链表 
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

4.6 MIN_TREEIFY_CAPACITY

当 Map 里面的数量超过这个值时,表中的桶才能进行树形化,否则桶内元素太多时会扩容,而不是树形化为了避免进行扩容、树形化选择的冲突,这个值不能小于4*TREEIFY_THRESHOLD(8)

// 桶中结构转化为红黑树对应的数组长度最小的值 
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

4.7 table(重点)

table 用来初始化(必须是二的n次幂)

// 存储元素的数组 
transient Node<K,V>[] table;

在 jdk1.8 中我们了解到 HashMap 是由数组加链表加红黑树来组成的结构,其中 table 就是 HashMap 中的数组,jdk8 之前数组类型是 Entry<K,V> 类型。从 jdk1.8 之后是 Node<K,V> 类型。只是换了个名字,都实现了一样的接口:Map.Entry<K,V>。负责存储键值对数据的。

4.8 entrySet

用来存放缓存

// 存放具体元素的集合
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

4.9 size(重点)

HashMap 中存放元素的个数

// 存放元素的个数,注意这个不等于数组的长度
 transient int size;

size 为 HashMap 中 K-V 的实时数量,不是数组 table 的长度。

4.10 modCount

用来记录 HashMap 的修改次数

// 每次扩容和更改 map 结构的计数器
 transient int modCount;  

4.11 threshold(重点)

用来调整大小下一个容量的值计算方式为(容量*负载因子)

// 临界值 当实际大小(容量*负载因子)超过临界值时,会进行扩容
int threshold;

4.12 loadFactor(重点)

哈希表的负载因子

// 负载因子
final float loadFactor;// 0.75f

说明:

loadFactor 是用来衡量 HashMap 满的程度,表示HashMap的疏密程度,影响 hash 操作到同一个数组位置的概率,计算 HashMap 的实时负载因子的方法为:size/capacity,而不是占用桶的数量去除以 capacity。capacity 是桶的数量,也就是 table 的长度 length。loadFactor 太大导致查找元素效率低,太小导致数组的利用率低,存放的数据会很分散。loadFactor 的默认值为 0.75f 是官方给出的一个比较好的临界值。当 HashMap 里面容纳的元素已经达到 HashMap 数组长度的 75% 时,表示 HashMap 太挤了,需要扩容,而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作,非常消耗性能。所以开发中尽量减少扩容的次数,可以通过创建 HashMap 集合对象时指定初始容量来尽量避免。在 HashMap 的构造器中可以定制 loadFactor。

// 构造方法,构造一个带指定初始容量和负载因子的空HashMap
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor);

为什么负载因子loadFactor 设置为0.75,初始化临界值threshold是12?

loadFactor 越趋近于1,那么 数组中存放的数据(entry)也就越多,也就越密,也就是会让链表的长度增加,loadFactor 越小,也就是趋近于0,数组中存放的数据(entry)也就越少,也就越稀疏。

数据

如果希望链表尽可能少些,要提前扩容。有的数组空间有可能一直没有存储数据,负载因子尽可能小一些。

举例:

例如:负载因子是0.4。 那么16*0.4--->6 如果数组中满6个空间就扩容会造成数组利用率太低了。
负载因子是0.9。 那么16*0.9--->14 那么这样就会导致链表有点多了,导致查找元素效率低。

所以既兼顾数组利用率又考虑链表不要太多,经过大量测试 0.75 是最佳方案。

threshold 计算公式:capacity(数组长度默认16) * loadFactor(负载因子默认0.75)==12。

这个值是当前已占用数组长度的最大值。当 Size >= threshold(12) 的时候,那么就要考虑对数组的 resize(扩容),也就是说,这个的意思就是 衡量数组是否需要扩增的一个标准。 扩容后的 HashMap 容量是之前容量的两倍。

5.内部类

5.1Node内部类

Node是一个典型的单链表节点,其中,hash用来存储key计算得来的hash值。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;// hash用来存储key计算得来的hash值
    final K key;// 键
    V value;// 值
    Node<K,V> next;// 下一个node节点
    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
    public final K getKey()        { return key; }
    public final V getValue()      { return value; }
    public final String toString() { return key + "=" + value; }
    public final int hashCode() {// 调用底层c++ 返回Key/Value的哈希码值,如果此对象为null,则返回0
        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);// 将Key/Vaule
    }
    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }
    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;
    }
}

5.2TreeNode内部类

TreeNode内部类,它继承自LinkedHashMap中的Entry类,关于LInkedHashMap.Entry这个类之后会单独发文章论述,TreeNode是一个典型的树型节点,其中,prev是链表中的节点,用于在删除元素的时候可以快速找到它的前置节点。

// 位于HashMap中,文章接下来会逐步分析
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;
}
// 位于LinkedHashMap中,典型的双向链表节点,这个类之后会单独发文章论述
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
    Entry<K,V> before, after;
    Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, value, next);
    }
}

6.HashMap构造方法

HashMap 中重要的构造方法,它们分别如下:

6.1 HashMap()

构造一个空的HashMap,默认初始容量(16)和默认负载因子(0.75)。

public HashMap() {
   // 将默认的负载因子0.75赋值给loadFactor,并没有创建数组
   this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
}

6.2 HashMap(int initialCapacity)

构造一个具有指定的初始容量和默认负载因子(0.75)HashMap 。

// 指定“容量大小”的构造函数
public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

6.3 HashMap(int initialCapacity,float loadFactor)构造方法

构造一个具有指定的初始容量和负载因子的 HashMap。

/*
	 指定“容量大小”和“负载因子”的构造函数
	 initialCapacity:指定的容量
	 loadFactor:指定的负载因子
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    	// 判断初始化容量initialCapacity是否小于0
        if (initialCapacity < 0)
            // 如果小于0,则抛出非法的参数异常IllegalArgumentException
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
    	// 判断初始化容量initialCapacity是否大于集合的最大容量MAXIMUM_CAPACITY
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            // 如果超过MAXIMUM_CAPACITY,会将MAXIMUM_CAPACITY赋值给initialCapacity
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    	// 判断负载因子loadFactor是否小于等于0或者是否是一个非数值
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            // 如果满足上述其中之一,则抛出非法的参数异常IllegalArgumentException
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
     	// 将指定的负载因子赋值给HashMap成员变量的负载因子loadFactor
        this.loadFactor = loadFactor;// 一般不建议修改默认的负载因子
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
	// 最后调用了tableSizeFor,来看一下方法实现:
     /*
     	返回比指定cap容量大的最小2的n次幂数:
     	前面第一遍讲述的应该有些小伙伴难以理解,这里我在举例解析一下:
     	-------------------------------------------------------
     	首先假定传入的cap = 10
     	则,n = 10 -1 => 9
     	n |= n >>> 1 就等同于 n = (n | n >>> 1),所以:
     	(位运算不懂的可以去看我的《Java基础提高之位运算》这篇文章)
     	9 => 0b1001    9 >>> 1 => 0b0100 
     	n |= n >>> 1;  ===>  0b1001 | 0b0100 => 0b1101
     	n |= n >>> 2;  ===>  0b1101 | 0b0011 => 0b1111
        n |= n >>> 4;  ===>  0b1111 | 0b0000 => 0b1111
        n |= n >>> 8;  ===>  0b1111 | 0b0000 => 0b1111
        n |= n >>> 16; ===>  0b1111 | 0b0000 => 0b1111
        得到:
        0b1111 => 15
        返回:
        return 15 + 1 => 16
        -------------------------------------------------------
        如果cap 不减去1,即直接使n等于cap的话,int n = cap;
        我们继续用上边返回的cap => 16 传入tableSizeFor(int cap):
        cap = 16
        n = 16
        16 => 0b10000  16 >>> 1 => 0b01000
        n |= n >>> 1;  ===>  0b10000 | 0b01000 => 0b11000
        n |= n >>> 2;  ===>  0b11000 | 0b00110 => 0b11110
        n |= n >>> 4;  ===>  0b11110 | 0b00001 => 0b11111
        n |= n >>> 8;  ===>  0b11111 | 0b00000 => 0b11111
        n |= n >>> 16; ===>  0b11111 | 0b00000 => 0b11111
        得到:
        0b11111 => 31
        返回 return 31 +1 => 32
        而实际情况是应该传入cap = 16 , n = cap -1 = 15
        15 => 0b1111 
        n |= n >>> 1;
        n |= n >>> 2;
        n |= n >>> 4;
        n |= n >>> 8;
        n |= n >>> 16;
        经过上面运算后得到:还是15
        返回结果:
        return 15 + 1 = 16
        所以我们得出结果:
        防止 cap 已经是 2 的幂数情况下。没有这个减 1 操作,
        则执行完几条无符号位移或位运算操作之后,返回的cap(32)将是实际所需cap(16)的 2倍。
     */
    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;
    }

说明:

对于this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 疑问?

**tableSizeFor(initialCapacity)**判断指定的初始化容量是否是2的n次幂,如果不是那么会变为比指定初始化容量大的最小的2的n次幂。

但是注意,在tableSizeFor方法体内部将计算后的数据返回给调用这里了,并且直接赋值给threshold边界值了。有些人会觉得这里是一个bug,应该这样书写:

this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity) * this.loadFactor;

这样才符合threshold的意思(当HashMap的size到达threshold这个阈值时会扩容)

但是请注意,在jdk8以后的构造方法中,并没有对table这个成员变量进行初始化,table的初始化被推迟到了put方法中,在put方法中会对threshold重新计算。

6.4 HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

包含另一个 “Map” 的构造函数

// 构造一个映射关系与指定 Map 相同的新 HashMap。
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    	// 负载因子loadFactor变为默认的负载因子0.75
         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
         putMapEntries(m, false);
 }

最后调用了 putMapEntries(),来看一下方法实现:

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    //获取参数集合的长度
    int s = m.size();
    if (s > 0) {//判断参数集合的长度是否大于0
        if (table == null) { // 判断table是否已经初始化
                // 未初始化,s为m的实际元素个数
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;// 得到新的扩容阈值
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);// 新的扩容阈值float自动向下转型为int
                // 计算得到的t大于阈值,则初始化阈值,将其变为符合要求的2的n次幂数
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 如果table已初始化过了,并且m元素个数大于阈值,进行扩容处理
        else if (s > threshold)
            resize();
        // 将m中的所有元素添加至HashMap中
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            // 得到的key 和 value 放入 hashmap
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}

(小结):

面试问题:float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; 这一行代码中为什么要加 1.0F ?

(float)s/loadFactor 的结果是小数,加 1.0F 与 (int)ft 相当于是对小数做一个向上取整以尽可能的保证更大容量,更大的容量能够减少 resize 的调用次数(为了效率,应当尽量减少扩容的次数)。所以 + 1.0F 是为了获取更大的容量。

例如:原来集合的元素个数是 6 个,那么 6/0.75 是8,由于8是 2 的n次幂,那么

if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t);执行过后,新的数组大小就是 8 了。然后原来数组的数据就会存储到长度是 8 的新的数组中了,这样会导致在存储元素的时候,容量不够,还得继续扩容,那么性能降低了,而如果 +1 呢,数组长度直接变为16了,这样可以减少数组的扩容。

7.HashMap的成员方法

7.1 put(K key, V value)方法

put方法是比较复杂的,实现步骤大致如下:

1.先通过 hash 值计算出 key 映射到哪个桶;

2.如果桶上没有碰撞冲突,则直接插入;

3.如果出现碰撞冲突了,则需要处理冲突:

a 如果该桶使用红黑树处理冲突,则调用红黑树的方法插入数据;

b 否则采用传统的链式方法插入。如果链的长度达到临界值,则把链转变为红黑树;

4.如果桶中存在重复的键,则为该键替换新值 value;

5.如果 size 大于阈值 threshold,则进行扩容;

具体的方法如下:

public V put(K key, V value) {
    // 调用hash(key)计算出key的hash值
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

说明:

  1. HashMap 只提供了 put 用于添加元素,putVal 方法只是给 put 方法调用的一个方法,并没有提供给用户使用。 所以我们重点看 putVal 方法。
  2. 我们可以看到在 putVal 方法中 key 在这里执行了一下 hash 方法,来看一下 hash 方法是如何实现的。
static final int hash(Object key) {
int h;
// 如果key为null,则hash值为0,
// 否则调用key的hashCode()方法计算出key的哈希值然后赋值给h,
// 后与h无符号右移16位后的二进制进行按位异或得到最后的hash值,
// 这样做是为了使计算出的hash更分散
// 为什么要更分散呢?因为越分散,某个桶的链表长度就越短,之后生成的红黑树越少,效率越高
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

从上面可以得知 HashMap 是支持 key 为空的,而 HashTable 是直接用 Key 来获取hashCode 所以 key 为空会抛异常。

解读上述 hash 方法:

我们先研究下 key 的哈希值是如何计算出来的。key 的哈希值是通过上述方法计算出来的。

这个哈希方法首先计算出 key 的 hashCode 赋值给 h,然后与 h 无符号右移 16 位后的二进制进行按位异或得到最后的 hash 值。

在 putVal 函数中使用到了上述 hash 函数计算的哈希值:

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
	...
	if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 这里的n表示数组长度16 ,公式
    // (length - 1) & hash = 桶位下标 当数组长度为2的n次幂数时,
    // 该公式相当于:hash % length 哈希值对数组长度取余
    // 例如:hash % 32 = hash & (32-1)
	...
}

计算过程如下所示:

说明

  1. key.hashCode();返回散列值也就是 hashcode,假设随便生成的一个值。
  2. n 表示数组初始化的长度是 16。
  3. &(按位与运算):运算规则:相同的二进制数位上,都是 1 的时候,结果为 1,否则为0。
  4. ^(按位异或运算):运算规则:相同的二进制数位上,数字相同,结果为 0,不同为 1。

最后获得0101==> 下标为5的捅。

简单来说就是:

高 16bit 不变,低 16bit 和高 16bit 做了一个异或(得到的 hashCode 转化为 32 位二进制,前 16 位和后 16 位低 16bit 和高 16bit 做了一个异或)。

问题:为什么要这样操作呢?

如果当 n 即数组长度很小,假设是 16 的话,那么 n - 1 即为 1111 ,这样的值和 hashCode 直接做按位与操作,实际上只使用了哈希值的后 4 位。如果当哈希值的高位变化很大,低位变化很小,这样就很容易造成哈希冲突了,所以这里把高低位都利用起来,从而解决了这个问题

在这里插入图片描述

下面,我们来看看 putVal 方法,看看它到底做了什么。

主要参数:

  • hash:key 的 hash 值
  • key:原始
  • keyvalue:要存放的值
  • onlyIfAbsent:如果
  • true :代表不更改现有的值
  • evict:如果为
  • false:表示
  • table:为创建状态

putVal 方法源代码如下所示:

public V put(K key, V value) {
	return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
    int h;// 如果key是null 则hash值为0,否则调用key的hashCode()方法,并让高16位参与整个hash异或,如果数组长度比较小的情况下,让高16位也参与寻址,
    // 寻址公式:(length - 1) & hash 
    // 这样可以使计算出的结果更分散,不容易产生哈希冲突
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    /*
    	1)transient Node<K,V>[] table; 表示存储Map集合中元素的数组。
    	2)(tab = table) == null 表示将空的table赋值给tab,然后判断tab是否等于null,第一次肯定是null。
    	3)(n = tab.length) == 0 表示将数组的长度0赋值给n,然后判断n是否等于0,n等于0,由于if判断使用双或,满足一个即可,则执行代码 n = (tab = resize()).length; 进行数组初始化,并将初始化好的数组长度赋值给n。
    	4)执行完n = (tab = resize()).length,数组tab每个空间都是null。
    */
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    /*
    	1)i = (n - 1) & hash 表示计算数组的索引赋值给i,即确定元素存放在哪个桶中。
    	2)p = tab[i = (n - 1) & hash]表示获取计算出的位置的数据赋值给结点p。
    	3) (p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null 判断结点位置是否等于null,如果为null,则执行代码:tab[i] = newNode(hash, key, value, null);根据键值对创建新的结点放入该位置的桶中。
        小结:如果当前桶没有哈希碰撞冲突,则直接把键值对插入空间位置。
    */ 
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        // 创建一个新的结点存入到桶中
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
         // 执行else说明tab[i]不等于null,表示这个位置已经有值了
        Node<K,V> e; K k;
        /*
        	比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值和key是否相等
        	1)p.hash == hash :p.hash表示原来存在数据的hash值  hash表示后添加数据的hash值 比较两个hash值是否相等。
                 说明:p表示tab[i],即 newNode(hash, key, value, null)方法返回的Node对象。
                    Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
                        return new Node<>(hash, key, value, next);
                    }
                    而在Node类中具有成员变量hash用来记录着之前数据的hash值的。
             2)(k = p.key) == key :p.key获取原来数据的key赋值给k  key 表示后添加数据的key比较两个key的地址值是否相等。
             3)key != null && key.equals(k):能够执行到这里说明两个key的地址值不相等,那么先判断后添加的key是否等于null,如果不等于null再调用equals方法判断两个key的内容是否相等。
        */
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                /*
                	说明:两个元素哈希值相等,并且key的值也相等,
                	将旧的元素整体对象赋值给e,用e来记录
                */ 
                e = p;
        // hash值不相等或者key不相等;判断p是否为红黑树结点
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入树中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 说明是链表结点
        else {
            /*
            	1)如果是链表的话需要遍历到最后结点然后插入
            	2)采用循环遍历的方式,判断链表中是否有重复的key
            */
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                /*
                	1)e = p.next 获取p的下一个元素赋值给e。
                	2)(e = p.next) == null 判断p.next是否等于null,等于null,说明p没有下一个元素,那么此时到达了链表的尾部,还没有找到重复的key,则说明HashMap没有包含该键,将该键值对插入链表中。
                */
                if ((e = p.next) == null) {
                    /*
                    	1)创建一个新的结点插入到尾部
                    	 p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    	 Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
                                return new Node<>(hash, key, value, next);
                         }
                         注意第四个参数next是null,因为当前元素插入到链表末尾了,那么下一个结点肯定是null。
                         2)这种添加方式也满足链表数据结构的特点,每次向后添加新的元素。
                    */
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    /*
                    	1)结点添加完成之后判断此时结点个数是否大于TREEIFY_THRESHOLD临界值8,如果大于则将链表转换为红黑树。
                    	2)int binCount = 0 :表示for循环的初始化值。从0开始计数。记录着遍历结点的个数。值是0表示第一个结点,1表示第二个结点。。。。7表示第八个结点,加上数组中的的一个元素,元素个数是9。
                    	TREEIFY_THRESHOLD - 1 --》8 - 1 ---》7
                    	如果binCount的值是7(加上数组中的的一个元素,元素个数是9)
                    	TREEIFY_THRESHOLD - 1也是7,此时转换红黑树。
                    */
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        // 转换为红黑树
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 跳出循环
                    break;
                }
                /*
                	执行到这里说明e = p.next 不是null,不是最后一个元素。继续判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等。
                */
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 相等,跳出循环
                    /*
                		要添加的元素和链表中的存在的元素的key相等了,则跳出for循环。不用再继续比较了
                		直接执行下面的if语句去替换去 if (e != null) 
                	*/
                    break;
                /*
                	说明新添加的元素和当前结点不相等,继续查找下一个结点。
                	用于遍历桶中的链表,与前面的e = p.next组合,可以遍历链表
                */
                p = e;
            }
        }
        /*
        	表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
        	也就是说通过上面的操作找到了重复的键,所以这里就是把该键的值变为新的值,并返回旧值
        	这里完成了put方法的修改功能
        */
        if (e != null) { 
            // 记录e的value
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                // 用新值替换旧值
                // e.value 表示旧值  value表示新值 
                e.value = value;
            // 访问后回调
            afterNodeAccess(e);
            // 返回旧值
            return oldValue;
        }
    }
    // 修改记录次数
    ++modCount;
    // 判断实际大小是否大于threshold阈值,如果超过则扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入后回调
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

(1)计算key的hash值;

(2)如果桶(数组)数量为0,则初始化桶;

(3)如果key所在的桶没有元素,则直接插入;

(4)如果key所在的桶中的第一个元素的key与待插入的key相同,说明找到了元素,转后续流程(9)处理;

(5)如果第一个元素是树节点,则调用树节点的putTreeVal()寻找元素或插入树节点;

(6)如果不是以上三种情况,则遍历桶对应的链表查找key是否存在于链表中;

(7)如果找到了对应key的元素,则转后续流程(9)处理;

(8)如果没找到对应key的元素,则在链表最后插入一个新节点并判断是否需要树化;

(9)如果找到了对应key的元素,则判断是否需要替换旧值,并直接返回旧值;

(10)如果插入了元素,则数量加1并判断是否需要扩容;

7.2 扩容方法 resize()

扩容机制:

1.什么时候才需要扩容?

当 HashMap 中的元素个数超过数组大小(数组长度)*loadFactor(负载因子)时,就会进行数组扩容,loadFactor 的默认值是 0.75。

2.HashMap 的扩容是什么?

进行扩容,会伴随着一次重新 hash 分配,并且会遍历 hash 表中所有的元素,是非常耗时的。在编写程序中,要尽量避免 resize。

HashMap 在进行扩容时,使用的 rehash 方式非常巧妙,因为每次扩容都是翻倍,与原来计算的 (n - 1) & hash 的结果相比,只是多了一个 bit 位,所以结点要么就在原来的位置,要么就被分配到 “原位置 + 旧容量” 这个位置。

例如我们从 16 扩展为 32 时,具体的变化如下所示:

扩容

因此元素在重新计算 hash 之后,因为 n 变为 2 倍,那么 n - 1 的标记范围在高位多 1bit(红色),因此新的 index 就会发生这样的变化。

hash

说明:

5 是假设计算出来的原来的索引。这样就验证了上述所描述的:扩容之后所以结点要么就在原来的位置,要么就被分配到 “原位置 + 旧容量” 这个位置。

因此,我们在扩充 HashMap 的时候,不需要重新计算 hash,只需要看看原来的 hash 值新增的那个 bit 是 1 还是 0 就可以了,是 0 的话索引没变,是 1 的话索引变成 “原位置 + 旧容量” 。可以看看下图为 16 扩充为 32 的 resize 示意图:

扩容

正是因为这样巧妙的 rehash 方式,既省去了重新计算 hash 值的时间,而且同时,由于新增的 1bit 是 0 还是 1 可以认为是随机的,在 resize 的过程中保证了 rehash 之后每个桶上的结点数一定小于等于原来桶上的结点数,保证了 rehash 之后不会出现更严重的 hash 冲突,均匀的把之前的冲突的结点分散到新的桶中了。

源码 resize 方法的解读

下面是代码的具体实现:

/**
 * 为什么需要扩容呢?
 * 为了解决哈希冲突导致的链化影响查询效率问题,扩容会缓解该问题
 */
final Node<K,V>[] resize() {
    // oldTab:表示扩容前的哈希表数组
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // oldCap:表示扩容之前table数组长度
    // 如果当前哈希表数组等于null 长度返回0,否则返回当前哈希表数组的长度
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    // oldThr:表示扩容之前的阀值(触发本次扩容的阈值) 默认是12(16*0.75)
    int oldThr = threshold;
    // newCap:扩容之后的table散列表数组长度
    // newThr: 扩容之后,下次再出发扩容的条件(新的扩容阈值)
    int newCap, newThr = 0;
    // 如果老的哈希表数组长度oldCap > 0
    // 如果该条件成立,说明hashMap 中的散列表数组已经初始化过了,是一次正常扩容
    // 开始计算扩容后的大小
    if (oldCap > 0) {
        // 扩容之前的table数组大小已经达到 最大阈值后,则不再扩容
        // 且设置扩容条件为:int的最大值
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            // 修改阈值为int的最大值
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 扩容之前的table数组大小没超过最大值,则扩充为原来的2倍
        // (newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY 扩大到2倍之后容量要小于最大容量
        // oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 原哈希表数组长度大于等于数组初始化长度16
        // 如果oldCap 小于默认初始容量16,比如传入的默认容量为8,则不执行下面代码
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            // 新的扩容阈值扩大一倍
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    // 如果老的哈希表数组长度oldCap == 0
    // 说明hashMap中的散列表还没有初始化,这时候是null
    // 如果老阈值oldThr大于0 直接赋值
    /*
    	以下三种情况会直接进入该判断:(即,这时候oldThr扩容阈值已存在)
    	1.new HashMap(initCap,loadFactor);
    	2.new HashMap(initCap);
    	3.new HashMap(Map);// 这个传入的map中已经有数据
    */
    else if (oldThr > 0) // 老阈值赋值给新的数组长度
        newCap = oldThr;
    // 如果老的哈希表数组长度oldCap == 0
    // 说明hashMap中的散列表还没有初始化,这时候是null
    // 此时,老扩容阈值oldThr == 0
    else { // 直接使用默认值
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//16
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//12
    }
    // 如果执行到这个位置新的扩容阈值newThr还没有得到赋值,则
    // 需要计算新的resize最大上限
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    // 将新的阀值newThr赋值给threshold
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    // 创建新的散列表
    // newCap是新的数组长度---> 32
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    // 说明:hashMap本次扩容之前,table不为null
    if (oldTab != null) {
        // 把每个bucket桶的数据都移动到新的散列表中
        // 遍历旧的哈希表的每个桶,重新计算桶里元素的新位置
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            // 当前node节点
            Node<K,V> e;
            // 说明:此时的当前桶位中有数据,但是数据具体是 
            // 1.单个数据 、 2.还是链表 、 3.还是红黑树 并不能确定
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                // 原来的数据赋值为null 便于GC回收
                oldTab[j] = null;
                // 第一种情况:判断数组是否有下一个引用(是否是单个数据)
                if (e.next == null)
                    // 没有下一个引用,说明不是链表,
                    // 当前桶上只有单个数据的键值对,
                    // 可以将数据直接放入新的散列表中
                    // e.hash & (newCap - 1) 寻址公式得到的索引结果有两种:
                    // 1.和原来旧散列表中的索引位置相同,
                    // 2.原来旧散列表中的索引位置i + 旧容量oldCap
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                //第二种情况:桶位已经形成红黑树
                else if (e instanceof TreeNode)
                    // 说明是红黑树来处理冲突的,则调用相关方法把树分开
                    // 红黑树这块,我会单独写一篇博客给大家详细分析一下
                    // 红黑树相关可以先跳过
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                // 第三种情况:桶位已经形成链表
                else { // 采用链表处理冲突
                    // 低位链表:
                    // 扩容之后数组的下标位置,与当前数组的下标位置一致 时使用
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    // 高位链表:扩容之后数组的下标位置等于
                    // 当前数组下标位置 + 扩容之前数组的长度oldCap 时使用
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    // 通过上述讲解的原理来计算结点的新位置
                    do {
                        // 原索引
                        next = e.next;
                     	// 这里来判断如果等于true 
                        // e这个结点在resize之后不需要移动位置
                        // 举例:
                        // 假如hash1     -> ...... 0 1111
                        // 假如oldCap=16 -> ...... 1 0000
                        // e.hash & oldCap 结果为0,则
                        // 扩容之后数组的下标位置j,与当前数组的下标位置一致
                        // 使用低位链表
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        // 举例:
                        // 假如hash2     -> ...... 1 1111
                        // 假如oldCap=16 -> ...... 1 0000
                        // e.hash & oldCap 结果不为0,则
                        // 扩容之后数组的下标位置为:
                        // 当前数组下标位置j + 扩容之前数组的长度oldCap
                        // 使用高位链表
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    // 将低位链表放到bucket桶里
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        // 索引位置=当前数组下标位置j
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    // 将高位链表放到bucket里
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        // 索引位置=当前数组下标位置j + 扩容之前数组的长度oldCap
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    // 返回新散列表
    return newTab;
}

(1)如果使用是默认构造方法,则第一次插入元素时初始化为默认值,容量为16,扩容门槛为12;

(2)如果使用的是非默认构造方法,则第一次插入元素时初始化容量等于扩容门槛,扩容门槛在构造方法里等于传入容量向上最近的2的n次方;

(3)如果旧容量大于0,则新容量等于旧容量的2倍,但不超过最大容量2的30次方,新扩容门槛为旧扩容门槛的2倍;

(4)创建一个新容量的桶;

(5)搬移元素,原链表分化成两个链表,低位链表存储在原来桶的位置,高位链表搬移到原来桶的位置加旧容量的位置;

7.3 删除方法 remove()

删除方法就是首先先找到元素的位置,如果是链表就遍历链表找到元素之后删除。如果是用红黑树就遍历树然后找到之后做删除,树小于 6 的时候要转链表。

删除 remove() 方法

// remove方法的具体实现在removeNode方法中,所以我们重点看下removeNode方法
// 根据key删除
public V remove(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
    }
// 根据key,value 删除
@Override
public boolean remove(Object key, Object value) {
    return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
}

removeNode() 方法:

final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    // 参数:
    // matchValue 当根据 key和value 删除的时候该参数为true
    // movable 可以先不用考虑这个参数 
    // tab:引用当前haashMap中的散列表
    // p:当前node元素
    // n:当前散列表数组长度
    // index:表示寻址结果
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
	// 根据hash找到位置 
	// 如果当前key映射到的桶不为空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        // 进入这个if判断内部,说明桶位是有数据的,需要进行查询操作,并且执行删除
        // node:通过查找得到的要删除的元素
        // e:表示当前node的下一个元素
        // k,v 键 值
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        // 第一种情况:当前桶位中的元素 即为我们要删除的元素
        // 如果桶上的结点就是要找的key,则将node指向该结点
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
        // 如果桶位中的头一个元素不是我们要找的元素,且桶位中的e = p.next不为null
        // 说明该桶位中的节点存在下一个节点
        else if ((e = p.next) != null) {
            // 说明:当前桶位,要么是 链表,要么是 红黑树
            // 第二种情况:判断桶位中是否已经形成了红黑树
            if (p instanceof TreeNode)
                // 说明是以红黑树来处理的冲突,则获取红黑树要删除的结点
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            // 第三种情况:桶位中已经形成链表
            else {
                // 判断是否以链表方式处理hash冲突
                // 是的话则通过遍历链表来寻找要删除的结点
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        // 比较找到的key的value和要删除的是否匹配
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {
            // 第一种情况:如果桶位中是红黑树,通过调用红黑树的方法来删除结点
            if (node instanceof TreeNode)
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            // 第二种情况:如果桶位中是链表
            else if (node == p)
                // 链表删除
                tab[index] = node.next;
            // 如果桶位中
            else
                // 第三种情况:将当前元素p的下一个元素设置为 要删除元素的 下一个元素
                p.next = node.next;
            // 记录修改次数
            ++modCount;
            // 变动的数量
            --size;
            afterNodeRemoval(node);
            return node;
        }
    }
    return null;
}

7.4 查找元素方法 get()

查找方法,通过元素的 key 找到 value。

代码如下:

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

get 方法主要调用的是 getNode 方法,代码如下:

final Node<K,V> 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数组的长度
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    // 如果哈希表不为空,并且key对应的桶不为空
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        /* 
        	判断数组元素是否相等
        	根据索引的位置检查第一个元素
        	注意:总是检查第一个元素
        */
        // 第一种情况:定位出来的桶位元素 就是我们要get的数据
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        // 桶位第一个元素不是我们要找的目标元素,且first.next不为null
        // 说明当前桶位不止一个元素,可能是链表,也可能是红黑树
        if ((e = first.next) != null) {
            // 第二种情况:桶位已经升级成了红黑树
            // 判断是否是红黑树,是的话调用红黑树中的getTreeNode方法获取结点
            if (first instanceof TreeNode)
                // 调用与树相关的方法得到目标元素
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            // 第三种情况:桶位已经形成链表
            do {
                // 不是红黑树的话,那就是链表结构了
                // 通过循环的方法判断链表中是否存在该key
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    // 如果没找到返回null
    return null;
}

小结

get 方法实现的步骤:

a. 通过 hash 值获取该 key 映射到的桶

b. 桶上的 key 就是要查找的 key,则直接找到并返回

c. 桶上的 key 不是要找的 key,则查看后续的结点:

如果后续结点是红黑树结点,通过调用红黑树的方法根据 key 获取 value

如果后续结点是链表结点,则通过循环遍历链表根据 key 获取 value

8. 遍历HashMap的几种方式

分别遍历 Key 和 Values

for (String key : map.keySet()) {
	System.out.println(key);
}
for (Object vlaue : map.values() {
	System.out.println(value);
}

使用 Iterator 迭代器迭代

Iterator<Map.Entry<String, Object>> iterator = map.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    Map.Entry<String, Object> mapEntry = iterator.next();
    System.out.println(mapEntry.getKey() + "---" + mapEntry.getValue());
}

通过 get 方式(不建议使用)

Set<String> keySet = map.keySet();
for (String str : keySet) {
	System.out.println(str + "---" + map.get(str));
}

说明

根据阿里开发手册,不建议使用这种方式,因为迭代两次。keySet 获取 Iterator一次,还有通过 get 又迭代一次,降低性能。

jdk8 以后使用 Map 接口中的默认方法:

default void forEach(BiConsumer<? super K,? super V> action) 
// BiConsumer接口中的方法:
	void accept(T t, U u) 对给定的参数执行此操作。  
		参数 
            t - 第一个输入参数 
            u - 第二个输入参数 

遍历代码:

HashMap<String,String> map = new HashMap();
map.put("001", "zhangsan");
map.put("002", "lisi");
map.forEach((key, value) -> {
    System.out.println(key + "---" + value);
});

9、总结

(1)HashMap是一种散列表,采用(数组 + 链表 + 红黑树)的存储结构;

(2)HashMap的默认初始容量为16(1<<4),默认装载因子为0.75f,容量总是2的n次方;

(3)HashMap扩容时每次容量变为原来的两倍;

(4)当桶的数量小于64时不会进行树化,只会扩容;

(5)当桶的数量大于64且单个桶中元素的数量大于8时,进行树化;

(6)当单个桶中元素数量小于6时,进行反树化;

(7)HashMap是非线程安全的容器;

(8)HashMap查找添加元素的时间复杂度都为O(1);

这篇文章就到这里了,也希望大家多多关注的其他内容!


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