从源码分析java容器之HashMap

引言

本次分析源码是JDK8版本，我们还是按照之前的分析流程，先来看看HashMap的结构图

1、HashMap结构图

HashMap继承AbstractMap，实现了Map、Cloneable、Serializable接口，Map 是 Key-Value 对映射的抽象接口，HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的实现，支持复制、序列化的，如下图所示：

2、分析源码

2.1、构造器

//构造方法1
public HashMap() {
	this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
//构造方法2
public HashMap(int initialCapacity) {
	this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
//构造方法3
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);
}
//构造方法4
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
	this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
	putMapEntries(m, false);
}

上图是HashMap的四个构造方法，我们重点来看第三个构造方法，因为里面有两个重要的参数，容量(capacity)和负载因子(load factor)，这里解释下：
capacity：我们都知道HashMap底层是数组+链表的数据结构，这里的capacity可以简单的理解为数组的长度,官方解释为buckets(桶)
load factor：load factor就是buckets填满程度的最大比例，当存放的buckets大于capacityload factor时，数组扩大为当前的2倍。
threshold：发生扩容的阀值，数值为capacityload factor
【提示】：默认的capacity为16,默认的load factor是0.75，默认的threshold为12

2.2、put方法

put函数大致的思路为：

• 对key的hashCode()做hash，然后再计算index;
• 如果没碰撞直接放到bucket里；
• 如果碰撞了，以链表的形式存在buckets后；
• 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；
• 如果节点已经存在就替换old value(保证key的唯一性)
• 如果bucket满了(超过load factor*current capacity)，就要resize。 具体代码的实现如下：

public V put(K key, V value) {
	// 对key的hashCode()做hash算法
	return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
	Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
	// tab为空则创建
	if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
		n = (tab = resize()).length;
	// 计算index，并对null做处理
	if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
		tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
	else {
		Node<K,V> e; K k;
		// 节点存在，替换
		if (p.hash == hash &&
			((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
			e = p;
		// 该链为树
		else if (p instanceof TreeNode)
			e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
		else {
		// 该链为链表
			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;
			}
		}
		// 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;
	// 超过capacity * load factor 则进行扩容
	if (++size > threshold)
		resize();
	afterNodeInsertion(evict);
	return null;
}

2.3、get方法

理解了put方法，再看get方法就很容易了，思路如下：

• 如果bucket里的第一个节点，直接命中，就返回第一个节点；
• 如果有冲突，则通过key.equals(k)去查找对应的entry
• 若为树，则在树中通过key.equals(k)查找，时间复杂度O(logn)；
• 若为链表，则在链表中通过key.equals(k)查找，时间复杂度O(n)。 具体代码的实现如下：

public V get(Object key) {
	Node<K,V> e;
	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;
	if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
		(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
		// 如果直接命中
		if (first.hash == hash && // always check first node
			((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
			return first;
		// 未命中
		if ((e = first.next) != null) {
			//如果是红黑树
			if (first instanceof TreeNode)
				return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
			// 如果是链表
			do {
				if (e.hash == hash &&
					((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
					return e;
			} while ((e = e.next) != null);
		}
	}
	return null;
}

3、总结

3.1、HashMap的特点

HashMap存储着Entry(hash, key, value, next)对象，可以接收null的键值，是非同步的。

3.2、HashMap的工作原理

通过hash的方法，通过put和get存储和获取对象。存储对象时，我们将K/V传给put方法时，它调用hashCode计算hash从而得到bucket位置，进一步存储，HashMap会根据当前bucket的占用情况自动调整容量(超过Load Facotr则resize为原来的2倍)。获取对象时，我们将K传给get，它调用hashCode计算hash从而得到bucket位置，并进一步调用equals()方法确定键值对。如果发生碰撞的时候，Hashmap通过链表将产生碰撞冲突的元素组织起来，在Java 8中，如果一个bucket中碰撞冲突的元素超过某个限制(默认是8)，则使用红黑树来替换链表，从而提高速度。

3.3、初始化集合，指定的参数initialCapacity大小

initialCapacity = (需要存储的元素个数 / 负载因子) + 1，负载因子（即loader factor）默认为0.75，如果无法确定元素个数，则使用默认值为16。

结束语

HashMap的扩容是非常耗费性能的，所以能判断元素个数的，最好指定一个初始容量，关于扩容的方法，我们下一篇单独拿出来讲，因为JDK8在JDK7的基础上进行了一点改变。

如果本篇对你有所帮助，请顺手点个赞，谢谢！