一文看懂HashMap底层原理

港控/mmm° 2022-02-25 05:42 524阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、概念
     *  二、继承关系
     *  三、基本属性
     *  四、数据存储结构
     *  五、JDK 1.8，HashMap采用数组+链表+红黑树实现

## 一、概念 ##

HashMap基于Map接口实现，元素以键值对的方式存储，并且允许使用null 键和null值，因为key不允许重复，因此只能有一个键为null，另外HashMap不能保证放入元素的顺序，它是无序的。HashMap是线程不安全的。

## 二、继承关系 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzI3OTMzMzAx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 三、基本属性 ##

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始化大小 16 
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     //负载因子0.75
    static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};         //初始化的默认数组
    transient int size;     //HashMap中元素的数量
    int threshold;          //判断是否需要调整HashMap的容量

HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务，所以如果能估算Map的容量，最好给它一个默认初始值，避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的，多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

## 四、数据存储结构 ##

数组：存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；  
  链表：存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。  
  HashMap：哈希表（(Hash table）既满足了数据的查找方便，同时不占用太多的内容空间，使用也十分方便。采用Entry数组来存储key-value对，每一个键值对组成了一个Entry实体，Entry类实际上是一个单向的链表结构，它具有Next指针，可以连接下一个Entry实体，以此来解决Hash冲突的问题。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzI3OTMzMzAx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzI3OTMzMzAx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
  从上图我们可以发现数据结构由数组+链表组成，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key.hashCode())%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。  
  HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 hash，key，value，next。  
  HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry\[0\] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry\[0\] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry\[0\] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

public V put(K key, V value) { 
            if (key == null)
                return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中
            int hash = hash(key.hashCode());
            int i = indexFor(hash, table.length);
            //遍历链表
            for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { 
                Object k;
                //如果key在链表中已存在，则替换为新value
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { 
                    V oldValue = e.value;
                    e.value = value;
                    e.recordAccess(this);
                    return oldValue;
                }
            }
     
            modCount++;
            addEntry(hash, key, value, i);
            return null;
        }
    
     
    
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //参数e, 是Entry.next
        //如果size超过threshold，则扩充table大小。再散列
        if (size++ >= threshold)
                resize(2 * table.length);
    }

## 五、JDK 1.8，HashMap采用数组+链表+红黑树实现 ##

在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了一些改变，但是基本思想还是没有变得，只是在一些地方做了优化，下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式，变化为数组+链表+红黑树的存储方式，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树。在性能上进一步得到提升。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzI3OTMzMzAx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
put方法简单解析

public V put(K key, V value) { 
        //调用putVal()方法完成
        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;
        //判断table是否初始化，否则初始化操作
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //计算存储的索引位置，如果没有元素，直接赋值
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else { 
            Node<K,V> e; K k;
            //节点若已经存在，执行赋值操作
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            //判断链表是否是红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                //红黑树对象操作
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else { 
                //为链表，
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 
                    if ((e = p.next) == null) { 
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //链表长度8，将链表转化为红黑树存储
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //key存在，直接覆盖
                    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;
            }
        }
        //记录修改次数
        ++modCount;
        //判断是否需要扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        //空操作
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

如果存在key节点，返回旧值，如果不存在则返回Null。

参考文章：https://www.cnblogs.com/java-jun-world2099/p/9258605.html

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