HashMap简介
- 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 组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“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继承关系
Cloneable 空接口，表示可以克隆。 创建并返回HashMap对象的一个副本。
Serializable 序列化接口。属于标记性接口。HashMap对象可以被序列化和反序列化。
AbstractMap 父类提供了Map实现接口。以最大限度地减少实现此接口所需的工作。
HashMap集合类的成员
成员变量
1.序列化版本号
2.集合的默认初始化容量( 容量必须是二的n次幂 )
- 上面说到初始化容量必须是2的n次幂 如果在初始化容量的情况下不是, 就会进入下面的方法
/*
1)、首先，为什么要对cap做减1操作。int n = cap - 1;
这是为了防止，cap已经是2的幂。如果cap已经是2的幂， 又没有执行这个减1操作，则执行完后面的几条无符号右移操作之后，
返回的capacity将是这个cap的2倍。如果不懂，要看完后面的几个无符号右移之后再回来看看。
下面看看这几个无符号右移操作：
2）、如果n这时为0了（经过了cap-1之后），则经过后面的几次无符号右移依然是0，最后返回的capacity是1（最后有个n+1的操作）。
这里只讨论n不等于0的情况。
3）、注意：|（按位或运算）：运算规则：相同的二进制数位上，都是0的时候，结果为0，否则为1。
*/
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //集合最大容量
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;
}
3.默认的负载因子，默认值是0.75
4.集合最大容量
5.当链表的值超过8则会转红黑树(1.8新增)
6.当链表的值小于6则会从红黑树转回链表
7.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)
8、table用来初始化(必须是二的n次幂)(重点)
构造方法
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() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 将默认的负载因子赋值
}
构造一个具有指定的初始容量和使用默认负载因子（0.75） HashMap。
构造一个具有指定的初始容量和负载因子的 HashMap。
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//判断初始容量是否为0
if (initialCapacity < 0)
//为0抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
//判断初始容量是否大于hashMap允许的最大值2的30次幂
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//判断负载因子是否小于0 或者等于0 或者是一个非数值
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
//指定初始容量和负载因子
this.loadFactor = loadFactor;
//hashMap的容量必须是2的n次幂 这个算法实现在上面有说到
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
成员方法
hash函数
- 对于key的hashCode做hash操作，无符号右移16位然后做异或运算。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。
put增加方法
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；
说明：
- 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, 而且在使用putval的时候就已经计算好hash值
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
/*
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 ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
/*
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节点p
3) (p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null 判断节点位置是否等于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节点放入该位置的桶中
*/
else {
// 执行else说明tab[i]不等于null，表示这个位置已经有值了。
HashMap.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))))
e = p;
else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
//第一个节点就是树的节点 那就将e也转为树的节点
e = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// 说明是链表节点
/*
1)如果是链表的话需要遍历到最后节点然后插入
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) {
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;
// 判断实际大小是否大于threshold阈值，如果超过则扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
将链表转换为红黑树的treeifyBin方法
节点添加完成之后判断此时节点个数是否大于TREEIFY_THRESHOLD临界值8，如果大于则将链表转换为红黑树，转换红黑树的方法 treeifyBin
1.根据哈希表中某个桶的元素个数和哈希表的长度确定是扩容还是树形化
2.如果是树形化遍历桶中的元素，创建相同个数的树形节点，复制内容，建立起联系
3.然后让桶中的第一个元素指向新创建的树根节点，替换桶的链表内容为树形化内容
整体代码如下：
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
//转换为红黑树 tab表示数组名 hash表示哈希值
treeifyBin(tab, hash);
treeifyBin方法如下所示：
final void treeifyBin(HashMap.Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; HashMap.Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
/*
如果当前数组为空或者数组的长度小于进行树形化的阈值(MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64),
就去扩容。而不是将节点变为红黑树。
*/
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
/*
1）执行到这里说明哈希表中的数组长度大于阈值64，开始进行树形化
2）e = tab[index = (n - 1) & hash]表示将数组中的元素取出赋值给e,
e是哈希表中指定置桶里的链表节点，从第一个开始
*/
HashMap.TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
//hd表示红黑树头, tl表示尾
do {
HashMap.TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
扩容方法_resize
- 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(DEFAULT_LOAD_FACTOR)是0.75,这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当HashMap中的元素个数超过16×0.75=12(这个值就是阈值或者边界值threshold值)的时候，就把数组的大小扩展为2×16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预知元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。
- 当HashMap中的其中一个链表的对象个数如果达到了8个，此时如果数组长度没有达到64，那么HashMap会先扩容解决，如果已经达到了64，那么这个链表会变成红黑树，节点类型由Node变成TreeNode类型。当然，如果映射关系被移除后，下次执行resize方法时判断树的节点个数低于6，也会再把树转换为链表。
- 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。
下面进行源码分析:
//扩容
final HashMap.Node<K,V>[] resize() {
//得到当前数组
HashMap.Node<K,V>[] oldTab = table;
//如果当前数组等于null长度返回0，否则返回当前数组的长度
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
//当前阀值点 默认是12(16*0.75)
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//如果老的数组长度大于0
//开始计算扩容后的大小
if (oldCap > 0) {
// 超过最大值就不再扩充了
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
/*
没超过最大值，就扩充为原来的2倍
1)(newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY 扩大到2倍之后容量要小于最大容量
2）oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 原数组长度大于等于数组初始化长度16
*/
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//老阈值点大于0 直接赋值
newCap = oldThr;
else {
// zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 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);
}
//新的阀值 默认原来是12 乘以2之后变为24
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({
"rawtypes","unchecked"})
HashMap.Node<K,V>[] newTab = (HashMap.Node<K,V>[])new HashMap.Node[newCap];
table = newTab;
//判断旧数组是否等于空
if (oldTab != null) {
// 把每个bucket都移动到新的buckets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) {
HashMap.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 HashMap.TreeNode)
((HashMap.TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else {
// preserve order
HashMap.Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
HashMap.Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
HashMap.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;
}
}
删除方法(remove)
删除的话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。
removeNode方法源码:
final HashMap.Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.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) {
HashMap.Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
//如果桶上的节点就是要找的key，则将node指向该节点
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
//说明节点存在下一个节点
if (p instanceof HashMap.TreeNode)
//说明是以红黑树来处理的冲突，则获取红黑树要删除的节点
node = ((HashMap.TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof HashMap.TreeNode)
((HashMap.TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
//链表删除
tab[index] = node.next;
else
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
查找元素方法(get)
查找方法，通过元素的Key找到Value。
1）通过hash值获取该key映射到的桶
2）桶上的key就是要查找的key,则直接找到并返回
3）桶上的key不是要找的key,则查看后续的节点：
a:如果后续节点是红黑树节点，通过调用红黑树的方法根据key获取value
b:如果后续节点是链表节点，则通过循环遍历链表根据key获取value
getNode源码分析:
final HashMap.Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
HashMap.Node<K,V>[] tab; HashMap.Node<K,V> first, e; int n; K k;
//如果哈希表不为空并且key对应的桶上不为空
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
*/
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 如果不是第一个元素，判断是否有后续节点
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof HashMap.TreeNode)
return ((HashMap.TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
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);
}
}
return null;
}
上述红黑树节点调用的是getTreeNode方法通过树形节点的find方法进行查找：
如果对比节点的哈希值和要查找的哈希值相等，就会判断key是否相等，相等就直接返回。不相等就从子树中递归查找。
find源码分析:
final HashMap.TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
HashMap.TreeNode<K,V> p = this;
do {
int ph, dir; K pk;
HashMap.TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
if ((ph = p.hash) > h)
p = pl;
else if (ph < h)
p = pr;
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
//找到之后直接返回
return p;
else if (pl == null)
p = pr;
else if (pr == null)
p = pl;
else if ((kc != null ||
(kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
p = (dir < 0) ? pl : pr;
//递归查找
else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
return q;
else
p = pl;
} while (p != null);
return null;
}
如何设计多个非重复的键值对要存储HashMap的初始化？
如果我们确切的知道我们有多少键值对需要存储，那么我们在初始化HashMap的时候就应该指定它的容量，以防止HashMap自动扩容，影响使用效率。
默认情况下HashMap的容量是16，但是，如果用户通过构造函数指定了一个数字作为容量，那么Hash会选择大于该数字的第一个2的幂作为容量。(3->4、7->8、9->16)