JDK源码分析 – HashMap

HashMap类的申明

HashMap的定义如下：

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

HashMap是一个散列表，用于存储key-value形式的键值对。

从源码的定义中可以看到HashMap继承了AbstractMap抽象类而且也实现了Map<K，V>接口，AbstractMap类本身也继承了Map<K，V>接口，Map接口定义了一些map数据结构的基本操作， AbstractMap提供了Map接口的一些默认实现。

HashMap实现了Cloneable接口和Serializable接口，这两个接口本身并没有定义方法，属于申明式接口，允许hashmap进行克隆和序列化。

另外，HashMap不是线程安全的，如果需要使用线程安全的HashMap，可以使用Collections类中的synchronizedMap方法来获得线程安全的HashMap：

Map map = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

HashMap主要字段属性说明

 1 //hashmap的初始容量：16
 2 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
 3 
 4 //hashmap的最大容量，hashmap的容量必须是2的指数值
 5 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
 6 
 7 //默认填充因子
 8 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
 9 
10 //链表转换为树的阀值：如果一个桶中的元素个数超过 TREEIFY_THRESHOLD=8 ，就使用红黑树来替换链表，从而提高速度
11 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
12 
13 //树还原为链表的阈值：扩容时桶中元素小于UNTREEIFY_THRESHOLD = 6，则把树形的桶元素还原为链表结构
14 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
15 
16 //哈希表的最小树形化容量：当哈希表中的容量大于这个值MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64时，哈希表中的桶才能进行树形化，否则桶中元素过多时只会扩容，并不会进行树形化， 为了避免扩容和树形化选择的冲突，这个值不能小于4* TREEIFY_THRESHOLD = 32
17 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
18 
19 //hashmap用于存储数据的Node数组，长度是2的指数值
20 transient Node<K,V>[] table;
21 
22 //保存entrySet返回的结果
23 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
24 
25 //hashmap中键值对个数
26 transient int size;
27 
28 //hashmap对象修改计数器
29 transient int modCount;
30 
31 // threshold=容量*装载因子，代表目前占用数组长度的最大值，用于判断是否需要扩容
32 int threshold;
33 
34 //装载因子,用来衡量hashmap装载数据程度，默认值为EFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f，装载因子计算方法size/capacity
35 final float loadFactor;

查阅资料发现在JDK1.8之前hashmap的通过数组+链表的数据结构实现的，这样在hash值大量冲突时hashmap是通过一个长长的链表来存储的，JDK1.8开始，hashmap采用数组+链表+红黑树组合数据结构来实现，链表和红黑树将会按一定策略互相转换，JDK1.8开始，hashmap的存储结构大致如下：

回顾一下关于红黑树的定义：

1. 每个结点或是红色的，或是黑色的
      2. 根节点是黑色的
      3. 每个叶结点（NIL）是黑色的
      4. 如果一个节点是红色的，则它的两个儿子都是黑色的
      5. 对于每个结点，从该结点到其子孙结点的所有路径上包含相同数目的黑色结点

HashMap部分方法析

构造函数

无参数构造函数：设置装载因子初始值0.75

1 public HashMap() {
2     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
3 }

HashMap(int initialCapacity) ：指定初始容量

public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

HashMap(int initialCapacity) ：指定初始容量和装载因子

 1 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
 2 　　//初始容量校验
 3     if (initialCapacity < 0)
 4         throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
 5                                            initialCapacity);
 6 　　//校验初始容量不能超过hashmap最大容量：2的30次方
 7     if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
 8         initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; //初始化为最大容量
 9 　　//校验装载因子
10     if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
11         throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
12                                            loadFactor);
13     this.loadFactor = loadFactor;
14     this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
15 }
16 　　//根据根据初始化参数initialCapacity 返回大于等于该值得最小 2的指数值 作为初始容量
17 static final int tableSizeFor(int cap) {
18     int n = cap - 1;
19     n |= n >>> 1;
20     n |= n >>> 2;
21     n |= n >>> 4;
22     n |= n >>> 8;
23     n |= n >>> 16;
24     return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
25 }

这个构造函数可以发现初始化hashmap的容量并不是随意指定多少就初始化多少，内部根据传入的容量值做了转换，严格的将hashmap的初始容量转换成的2的指数值，比如我们初始化一个new HashMap(25)，实际初始化处来的容量是32，相当于new HashMap(32)

HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m):初始化一个hashmap，使用默认加载因子0.75,并将hashmap参数值复制到新创建的hashmap对象中。

1 public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
2     this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
3     putMapEntries(m, false);
4 }

put(K key, V value)

向hashmap中添加健值对

 1 public V put(K key, V value) {
 2     return putVal(hash(key), key, value, false, true);
 3 }
 4 
 5 //hash：hashkey
 6 //key value :键值对
 7 //onlyIfAbsent:为true则不修改已存在的value
 8 //evict:返回被修改的value
 9 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
10                boolean evict) {
11 
12     Node<K,V>[] tab; 
13 Node<K,V> p; 
14 int n, i;
15 　　//如果table为null或者空，则进行resize扩容
16     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
17     //执行resize扩容，内部将初始化table和threshold
18         n = (tab = resize()).length;
19 　　//如果对应索引处没有Node，则新建Node并放到table里面
20     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
21         tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //tab[i]==null的情况，直接新创建节点并赋值给tab[i]
22     else {
23 　　//else的情况表示tab[i]不为null
24         Node<K,V> e; 
25 　　　　 K k;
26 　　　　//1：hash值与tab[i]的hash值相等且key也相等，那么覆盖该节点的value域
27         if (p.hash == hash &&
28             ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
29             e = p;//暂存tab[i]的节点p到临时变量e
30 　　   //2：判断tab[i]是否是红黑树
31         else if (p instanceof TreeNode)     
32        e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//添加到树形结构中
33         else {
34 　　　　//3：不是红黑树 且不是第1中情况，即：hash值一致,但是key不一致，那么需要将新的key-value添加到链表末尾
35             for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
36                 if ((e = p.next) == null) {
37 　　　　　　　　　　　　//添加到链表末尾
38                     p.next = newNode(hash, key, value, null);
39 　　　　　　　　　　　　//如果该节点的链表长度大于8，则需要将链表转换为红黑树
40                     if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
41                         treeifyBin(tab, hash);
42                     break;
43                 }
44 //如果key已经存在该链表中，直接break,执行后续更新逻辑
45 if (e.hash == hash &&
46                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
47                     break;
48                 p = e;
49             }
50         }
51         if (e != null) { // existing mapping for key
52             V oldValue = e.value;
53 　　　　　　/hash值和key相等的情况下，更新value
54             if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
55                 e.value = value;
56         //
57             afterNodeAccess(e);
58 　　　　　　//返回旧的value值
59             return oldValue;
60         }
61     }
62 　　//修改次数自增
63     ++modCount;
64 　　　　//判断是否需要再次扩容
65     if (++size > threshold)
66         resize();
67 //
68     afterNodeInsertion(evict);
69     return null;
70 }

上面的代码即便加了注释，看上不也不是很清晰，csdn有篇文章分析了hash的这个方法，并给出了一个流程图，逻辑很清晰：

图片来源：https://blog.csdn.net/lianhuazy167/article/details/66967698

上面put方法的实现中用到了一个很重要的方法resize(),这个方法的作用是当hashmap集合中的元素已经超过最大承载容量时，则对hashmap进行容量扩充。最大装载容量threshold=capacity*loadFactor,这个值一般小于数组的长度，下面看一下这个方法的实现过程：

 1 //初始化或者是扩展table的容量，table的容量时按照2的指数增长的，当扩大table容量时，元素的hash值以及位置可能发生改变
 4 final Node<K,V>[] resize() {
 5 Node<K,V>[] oldTab = table;
 6 　　//计算当前哈希表 table数组长度
 7     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
 8 　　//当前阈值（装载容量=数组长度*装载因子）
 9     int oldThr = threshold;
10     int newCap, newThr = 0;
11 　　//如果table数组长度大于0
12     if (oldCap > 0) {
13 　　//table数组长度大于等于hashmap默认的最大值： 2的30次方
14      if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
15 　　　　　　//扩充为为int型最大值
16             threshold = Integer.MAX_VALUE;
17             return oldTab;
18         }
19     　　　　//如果table数据长度>=初始化长度（16） 而且 扩展1倍也小于默认最大长度：2的30次方
20         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
21                  oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
22         　　　　// threshold 阈值扩大一倍
23             newThr = oldThr << 1; // double threshold
24     }
25     //如果原先的装载容量>0,直接将新容量赋值为 原先的装载容量oldThr->oldThreshold
26     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
27         newCap = oldThr;
28     else {               // zero initial threshold signifies using defaults
29 　　　　//原先的阈值oldThr< =0 而且table长度也=0，这说明hashmap还未初始化，执行初始化
30         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//数组长度赋值16
31         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); //
32     }
33 　　//计算新的阈值上限
34     if (newThr == 0) {
35         float ft = (float)newCap * loadFactor;
36         newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
37                   (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
38     }
39 　　　　//更新为新的阈值
40     threshold = newThr;
41 　　　　//重新分配table容量
42     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
43         Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
44     table = newTab;
45 　　//把原先table中的复制到新的table中
46     if (oldTab != null) {
47         for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
48             Node<K,V> e;
49             if ((e = oldTab[j]) != null) {
50                 oldTab[j] = null;
51                 if (e.next == null)
52                     newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
53                 else if (e instanceof TreeNode)
54                     ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
55                 else { // preserve order
56                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
57                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
58                     Node<K,V> next;
59                     do {
60                         next = e.next;
61                         if ((e.hash & oldCap) == 0) {
62                             if (loTail == null)
63                                 loHead = e;
64                             else
65                                 loTail.next = e;
66                             loTail = e;
67                         }
68                         else {
69                             if (hiTail == null)
70                                 hiHead = e;
71                             else
72                                 hiTail.next = e;
73                             hiTail = e;
74                         }
75                     } while ((e = next) != null);
76                     if (loTail != null) {
77                         loTail.next = null;
78                         newTab[j] = loHead;
79                     }
80                     if (hiTail != null) {
81                         hiTail.next = null;
82                         newTab[j + oldCap] = hiHead;
83                     }
84                 }
85             }
86         }
87     }
88     return newTab;
89 }

Hashmap的扩容机制主要实现步骤：

如果当前数组为空，则初始化当前数组（长度16，装载因子0.75）
如果当前数组不为空，则将当前数组容量扩大一倍，同时将阈值（threshold）也扩大一倍，然后将之前table素组中值全部复制到新的table中

get(Object key)

通过key获取对应的value，实现逻辑：根据key计算hash值，通过hash值和key从hashmap中检索出唯一的结果并返回。

 1 public V get(Object key) {
 2     Node<K,V> e;
 3     return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
 4 }
 5 //hash:key对应的hash值
 6 //key:键值对的key
 7 final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
 8     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
 9 
10     if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
11         (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {  // tab[(n - 1) & hash]
12 　　　　// 根据hash值计算出table中的位置,如果该位置第一个节点 key 和 hash值都和传递进来的参数相等，则返回该Node
13         if (first.hash == hash && // always check first node
14             ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
15             return first;
16 　　　　　　//该键值对在hash表(n - 1) & hash索引处，但是不是第一个节点，多以遍历该链表（也可能是红黑树），不管是链表还是树，顺藤摸瓜就对了
17         if ((e = first.next) != null) {
18 　　　　　　　　//如果是红黑树，则遍历树型结构
19             if (first instanceof TreeNode)
20                 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
21 　　　　　　//不是树，遍历链表
22             do {
23                 if (e.hash == hash &&
24                     ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
25                     return e;
26             } while ((e = e.next) != null);
27         }
28     }
29     return null;
30 }
31 
32 //计算hash值
33 static final int hash(Object key) {
34     int h;
35     return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
36 }

get方法逻辑并没有什么难懂得地方，但是过程中有两个地方需要额外注意一下：

tab[(n - 1) & hash])：根据hash值计算元素位置，其中n为hashmap中table数组长度，这里使用(n-1)&hash的方式计算索引位置，简单解释一下这个含义，hashmap中数组的大小总是2的指数值，这种特殊的情况之下(n-1)&hash等同于hash%n取模运算结果，并且使用(n-1)&hash位运算的方式效率上也高于取模运算。
hash(key)：计算hash值，这个函数并不是直接通过hashCode()获取hash值，而是做了一步位运算(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)，即将hashcode的高16为与低16位异或运算，为什么这么做呢？因为hashcode()返回的是一个32位的int类型数值，将该数值的高16位与低16位做异或运算主要是想让高位数据参与运算，增加hash值得随机性。