HashMap JDK1.8源码解读 链表+红黑树

记录自己学习的理解，以供日后查阅，欢迎指正不对之处！

HashMap是数组+链表+红黑树的数据结构
接下来我们一起开始学习HashMap源码

1、HashMap的继承关系：

HashMap继承AbstractMap，AbstractMap实现了Map的大部分方法，减少实现类的重复代码，新增实现类时只需要继承AbstractMap进行扩展就行了。实现了Map<K,V>, Cloneable, Serializable接口。（思考：AbstractMap实现了Map接口，为什么HashMap还要实现Map接口？查阅了很多资料，比较靠谱的答案是因为作者失误，并不存在具体的含义）

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

2、HashMap的实例变量：

//序列化ID
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

//HashMap默认容量为16，1的二进制向左移4位，结果为16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

//最大容量为2的30次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

//默认加载因子为0.75(为什么取0.75？这是通过大量测试，得出的时间和空间效率最高的一个值)
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

//链表转化为红黑树的临界值为8，当链表长度超过8时，链表转化为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

//红黑树转化为链表的临界值为6，当红黑树长度小于6时，红黑树转化为链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

//转化为红黑树的最小容量为64
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

//存储数据的数组
transient Node<K,V>[] table;

//获得Entry集合
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;

//数组实际存储数据的大小
transient int size;

//数组被结构化修改的次数，用于fast-fail机制，解决多线程问题
transient int modCount;

//数组所能存放的组大数量，等于数组长度*加载因子
int threshold;

//加载因子
final float loadFactor;

3、构造函数

//无参构造，使用默认加载因子0.75
public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
 }

//指定容量，使用默认加载因子0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
       //调用指定容量和加载因子的构造函数
       this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

//指定容量和加载因子的构造函数
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
		//判断容量合法性
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        //若容量大于最大值，则取最大值
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        //判断加载因子合法性
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        //赋值
        this.loadFactor = loadFactor;
        //容量取大于指定容量数值的 第一个 2的幂的数
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
 }

//创建一个包含Map参数的HashMap
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
 }

4、相关方法

tableSizeFor方法

//cap为指定的容量大小，通过该方法得到大于指定容量数值的 第一个 2的幂的数
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;
    }

思考1：为什么HashMap容量要取2的幂的数？

涉及到根据Hash值算数组索引的问题，计算公式为（hash&inicap-1），
公式后面源码中会遇到，hash为hash值，inicap为数组长度（最大容量）。

假设现在有这几个hash值0001011,00000101,00000100，

如果数组容量为16,16-1得15二进制为00001111，
那么通过公式计算得到的二进制为0001011，00000101,00000100，也就是11,5,4

如果数组容量为15,15-1得14二进制为00001110，
那么通过公式计算得到的二进制为0001010，00000100,00000100，也就是10,4,4

 如果数组容量为14,14-1得13二进制为00001101，
那么通过公式计算得到的二进制为0001001，00000100,00000100，也就是9,4,4

由上可知
当容量为奇数时，减1后，二进制最后一位为0，
那么&操作后得到的索引最后一位一定为0，也就是一定为偶数，
只有数组索引为偶数的才可能存放数据，那么这将浪费一半的空间。
当为偶数时，更能够让数据均匀的分布。
非2的幂时，计算得到同一个索引的概率很大，产生hash冲突的概率随之增大，
所以为了尽可能减少hash冲突，采用2的幂的数。

思考2：为什么计算之前要减1？

例如指定的容量为9、10、11、12、13、14、15其中一个数，
那么计算得到大于指定容量数值的 第一个 2的幂的数，都是16，没有问题。
但是，如果指定的是16呢？大于16的 第一个 2的幂的数是32，
显然16就已经是2的幂，得到32不合理。我们看如果先减一之后再计算，
16减1得15计算后得到16，9减1得到8，计算后仍然得到16，
都能够得到正确的值。这就是为什么要减1的原因。

putMapEntries方法

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        //存放复制的map数据大小
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
        	//当table数组为null时，进行初始化
            if (table == null) { // pre-size
                //计算容量
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                //判断容量合法性
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                if (t > threshold)
                	//取大于容量的第一个2的幂
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            //如果当前数据量大于了容量临界值，进行扩容
            else if (s > threshold)
                resize();
            //遍历每个entry得到key和value，添加的table中
            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);
            }
        }
    }

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)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            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))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                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;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

resize方法

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) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        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) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        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;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.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;
    }