jdk1.8 HashMap源码分析

痛定思痛。 2022-05-14 05:07 308阅读 0赞

**一、HashMap概述**

在jdk1.8之前，HashMap采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的节点都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，HashMap采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

下图中代表jdk1.8之前的HashMap结构，左边部分即代表哈希表，也称为哈希数组，数组的每个元素都是一个单链表的头节点，链表是用来解决冲突的，如果不同的key映射到了数组的同一位置处，就将其放入单链表中。

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jdk1.8之前hashmap结构图

jdk1.8之前的HashMap都采用上图的结构，都是基于一个数组和多个单链表，hash值冲突的时候，就将对应节点以链表的形式存储。如果在一个链表中查找其中一个节点时，将会花费O(n)的查找时间，会有很大的性能损失。到了jdk1.8，当同一个hash值的节点数不小于8时，不再采用单链表形式存储，而是采用红黑树，如下图所示。

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jdk1.8 hashmap结构图

说明：上图很形象的展示了HashMap的数据结构（数组+链表+红黑树），桶中的结构可能是链表，也可能是红黑树，红黑树的引入是为了提高效率。

**二、涉及到的数据结构：处理hash冲突的链表和红黑树以及位桶**

**1、链表的实现**

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Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。来看具体代码：

//Node是单向链表，它实现了Map.Entry接口
    static class Node<k,v> implements Map.Entry<k,v> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<k,v> next;
        //构造函数Hash值 键 值 下一个节点
        Node(int hash, K key, V value, Node<k,v> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
     
        public final K getKey()        { return key; }
        public final V getValue()      { return value; }
        public final String toString() { return key + = + value; }
     
        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
        }
     
        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
        //判断两个node是否相等,若key和value都相等，返回true。可以与自身比较为true
        public final boolean equals(Object o) {
            if (o == this)
                return true;
            if (o instanceof Map.Entry) {
                Map.Entry e = (Map.Entry)o;
                if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
                    Objects.equals(value, e.getValue()))
                    return true;
            }
            return false;
        }
    }

可以看到，node中包含一个next变量，这个就是链表的关键点，hash结果相同的元素就是通过这个next进行关联的。

**2、红黑树**

//红黑树
    static final class TreeNode<k,v> extends LinkedHashMap.Entry<k,v> {
        TreeNode<k,v> parent;  // 父节点
        TreeNode<k,v> left; //左子树
        TreeNode<k,v> right;//右子树
        TreeNode<k,v> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;    //颜色属性
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<k,v> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }
     
        //返回当前节点的根节点
        final TreeNode<k,v> root() {
            for (TreeNode<k,v> r = this, p;;) {
                if ((p = r.parent) == null)
                    return r;
                r = p;
            }
        }
    }

红黑树比链表多了四个变量，parent父节点、left左节点、right右节点、prev上一个同级节点，红黑树内容较多，不在赘述。

**3、位桶**

transient Node<k,v>[] table;//存储（位桶）的数组

HashMap类中有一个非常重要的字段，就是 Node\[\] table，即哈希桶数组，明显它是一个Node的数组。

有了以上3个数据结构，只要有一点数据结构基础的人，都可以大致联想到HashMap的实现了。首先有一个每个元素都是链表（可能表述不准确）的数组，当添加一个元素（key-value）时，就首先计算元素key的hash值，以此确定插入数组中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了，这时就添加到同一hash值的元素的后面，他们在数组的同一位置，但是形成了链表，所以说数组存放的是链表。而当链表长度太长时，链表就转换为红黑树，这样大大提高了查找的效率。

**三、HashMap源码分析**

**1、类的继承关系**

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

可以看到HashMap继承自父类（AbstractMap），实现了Map、Cloneable、Serializable接口。其中，Map接口定义了一组通用的操作；Cloneable接口则表示可以进行拷贝，在HashMap中，实现的是浅层次拷贝，即对拷贝对象的改变会影响被拷贝的对象；Serializable接口表示HashMap实现了序列化，即可以将HashMap对象保存至本地，之后可以恢复状态。

**2、类的属性**

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
        // 序列号
        private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;    
        // 默认的初始容量是16
        static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   
        // 最大容量
        static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
        // 默认的填充因子
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
        // 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树
        static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
        // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
        static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
        // 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
        static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
        // 存储元素的数组，总是2的幂次倍
        transient Node<k,v>[] table; 
        // 存放具体元素的集
        transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
        // 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。
        transient int size;
        // 每次扩容和更改map结构的计数器
        transient int modCount;   
        // 下一次扩容后的大小，当实际大小大于(容量*填充因子)时，会进行扩容
        int threshold;
        // 填充因子
        final float loadFactor;
    }

说明：类的数据成员很重要，以上也解释得很详细了。

**3、类的构造函数**

**（1）HashMap(int, float)型构造函数**

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        // 初始容量不能小于0，否则报错
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                                initialCapacity);
        // 初始容量不能大于最大值，否则为最大值
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        // 填充因子不能小于或等于0，不能为非数字
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                                loadFactor);
        // 初始化填充因子                                        
        this.loadFactor = loadFactor;
        // 初始化threshold大小
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);    
    }

说明：tableSizeFor(initialCapacity)返回大于initialCapacity的最小的二次幂数值。

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;
    }

说明：>>> 操作符表示无符号右移，高位取0。

**（2）HashMap(int)型构造函数。**

public HashMap(int initialCapacity) {
        // 调用HashMap(int, float)型构造函数
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

**（3）HashMap()型构造函数。**

public HashMap() {
        // 初始化填充因子
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
    }

**（4）HashMap(Map<? extends K>)型构造函数。**

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        // 初始化填充因子
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        // 将m中的所有元素添加至HashMap中
        putMapEntries(m, false);
    }

说明：putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict)函数将m的所有元素存入本HashMap实例中。

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            // 判断table是否已经初始化
            if (table == null) { // pre-size
                // 未初始化，s为m的实际元素个数
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                        (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                // 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            // 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理
            else if (s > threshold)
                resize();
            // 将m中的所有元素添加至HashMap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);
            }
        }
    }

**4、hash算法**

在jdk 1.8中，hash方法如下：

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

（1）首先获取对象的hashCode()值，然后将hashCode值右移16位，然后将右移后的值与原来的hashCode做**异或**运算，返回结果。（其中h>>>16，在jdk1.8中，优化了高位运算的算法，使用了零扩展，无论正数还是负数，都在高位插入0）。

（2）在putVal源码中，我们通过(n-1)&hash获取该对象的键在hashmap中的位置。（其中hash的值就是（1）中获得的值）其中n表示的是hash桶数组的长度，并且该长度为2的n次方，这样(n-1)&hash就等价于hash%n。因为&运算的效率高于%运算。

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                    boolean evict) {
        ...
    
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//获取位置
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        ...
    }

tab即是table，n是map集合的容量大小，hash是上面方法的返回值。因为通常声明map集合时不会指定大小，或者初始化的时候就创建一个容量很大的map对象，所以这个通过容量大小与key值进行hash的算法在开始的时候只会对低位进行计算，虽然容量的2进制高位一开始都是0，但是key的2进制高位通常是有值的，因此先在hash方法中将key的hashCode右移16位在与自身异或，使得高位也可以参与hash，更大程度上减少了碰撞率。

下面举例说明下，n为table的长度。

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**5、重要方法分析**

**（1）putVal方法**

首先说明，HashMap并没有直接提供putVal接口给用户调用，而是提供的put方法，而put方法就是通过putVal来插入元素的。

public V put(K key, V value) {
        // 对key的hashCode()做hash 
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);  
    }

putVal方法执行过程可以通过下图来理解：

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①.判断键值对数组table\[i\]是否为空或为null，否则执行resize()进行扩容；

②.根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i，如果table\[i\]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table\[i\]不为空，转向③；

③.判断table\[i\]的首个元素是否和key一样，如果相同直接覆盖value，否则转向④，这里的相同指的是hashCode以及equals；

④.判断table\[i\] 是否为treeNode，即table\[i\] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对，否则转向⑤；

⑤.遍历table\[i\]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；

⑥.插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。

具体源码如下：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                       boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        // 步骤①：tab为空则创建 
        // table未初始化或者长度为0，进行扩容
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 步骤②：计算index，并对null做处理  
        // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        // 桶中已经存在元素
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value 
            // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 将第一个元素赋值给e，用e来记录
                    e = p;
            // 步骤④：判断该链为红黑树 
            // hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点
            else if (p instanceof TreeNode)
                // 放入树中
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            // 步骤⑤：该链为链表 
            // 为链表结点
            else {
                // 在链表最末插入结点
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    // 到达链表的尾部
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 在尾部插入新结点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 结点数量达到阈值，转化为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        // 跳出循环
                        break;
                    }
                    // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        // 相等，跳出循环
                        break;
                    // 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表
                    p = e;
                }
            }
            // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
            if (e != null) { 
                // 记录e的value
                V oldValue = e.value;
                // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    //用新值替换旧值
                    e.value = value;
                // 访问后回调
                afterNodeAccess(e);
                // 返回旧值
                return oldValue;
            }
        }
        // 结构性修改
        ++modCount;
        // 步骤⑥：超过最大容量 就扩容 
        // 实际大小大于阈值则扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 插入后回调
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

**HashMap的数据存储实现原理**

**流程：**

1. 根据key计算得到key.hash = (h = k.hashCode()) ^ (h >>> 16)；

2. 根据key.hash计算得到桶数组的索引index = key.hash & (table.length - 1)，这样就找到该key的存放位置了：

① 如果该位置没有数据，用该数据新生成一个节点保存新数据，返回null；

② 如果该位置有数据是一个红黑树，那么执行相应的插入 / 更新操作；

③ 如果该位置有数据是一个链表，分两种情况一是该链表没有这个节点，另一个是该链表上有这个节点，注意这里判断的依据是key.hash是否一样：

如果该链表没有这个节点，那么采用尾插法新增节点保存新数据，返回null；如果该链表已经有这个节点了，那么找到该节点并更新新数据，返回老数据。

注意：

HashMap的put会返回key的上一次保存的数据，比如：

HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();  
System.out.println(map.put("a", "A")); // 打印null  
System.out.println(map.put("a", "AA")); // 打印A  
System.out.println(map.put("a", "AB")); // 打印AA

**（2）getNode方法**

说明：HashMap同样并没有直接提供getNode接口给用户调用，而是提供的get方法，而get方法就是通过getNode来取得元素的。

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;
        // table已经初始化，长度大于0，根据hash寻找table中的项也不为空
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            // 桶中第一项(数组元素)相等
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            // 桶中不止一个结点
            if ((e = first.next) != null) {
                // 为红黑树结点
                if (first instanceof TreeNode)
                    // 在红黑树中查找
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                // 否则，在链表中查找
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

**（3）resize方法**

①.在jdk1.8中，resize方法是在HashMap中的键值对大于阀值时或者初始化时，就调用resize方法进行扩容；

②.每次扩展的时候，都是扩展2倍；

③.扩展后Node对象的位置要么在原位置，要么移动到原偏移量两倍的位置。

final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table;//oldTab指向hash桶数组
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {//如果oldCap不为空的话，就是hash桶数组不为空
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//如果大于最大容量了，就赋值为整数最大的阀值
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;//返回
            }//如果当前hash桶数组的长度在扩容后仍然小于最大容量 并且oldCap大于默认值16
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold 双倍扩容阀值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];//新建hash桶数组
        table = newTab;//将新数组的值复制给旧的hash桶数组
        if (oldTab != null) {//进行扩容操作，复制Node对象值到新的hash桶数组
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {//如果旧的hash桶数组在j结点处不为空，复制给e
                    oldTab[j] = null;//将旧的hash桶数组在j结点处设置为空，方便gc
                    if (e.next == null)//如果e后面没有Node结点
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//直接对e的hash值对新的数组长度求模获得存储位置
                    else if (e instanceof TreeNode)//如果e是红黑树的类型，那么添加到红黑树中
                        ((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;//将Node结点的next赋值给next
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {//如果结点e的hash值与原hash桶数组的长度作与运算为0
                                if (loTail == null)//如果loTail为null
                                    loHead = e;//将e结点赋值给loHead
                                else
                                    loTail.next = e;//否则将e赋值给loTail.next
                                loTail = e;//然后将e复制给loTail
                            }
                            else {//如果结点e的hash值与原hash桶数组的长度作与运算不为0
                                if (hiTail == null)//如果hiTail为null
                                    hiHead = e;//将e赋值给hiHead
                                else
                                    hiTail.next = e;//如果hiTail不为空，将e复制给hiTail.next
                                hiTail = e;//将e复制个hiTail
                            }
                        } while ((e = next) != null);//直到e为空
                        if (loTail != null) {//如果loTail不为空
                            loTail.next = null;//将loTail.next设置为空
                            newTab[j] = loHead;//将loHead赋值给新的hash桶数组[j]处
                        }
                        if (hiTail != null) {//如果hiTail不为空
                            hiTail.next = null;//将hiTail.next赋值为空
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;//将hiHead赋值给新的hash桶数组[j+旧hash桶数组长度]
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

HashMap使用的是2次幂的扩展，所以经过resize之后，**元素的位置要么是在原位置，要么是在原位置再移动2次幂的位置**。

看下图可以明白这句话的意思，n为table的长度，图（a）表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例，图（b）表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置的示例，其中hash1是key1对应的哈希值(也就是根据key1算出来的hashcode值)与高位与运算的结果。

![20170123110634173][]  
  
元素在重新计算hash之后，因为n变为2倍，那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色)，因此新的index就会发生这样的变化：

![20170123110716285][]  
因此，我们在扩充HashMap的时候，不需要像jdk1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了，是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”，可以看看下图为16扩充为32的resize示意图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3BhbmdlMTk5MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

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[249993-20170725102326906-1051203702.png]: /images/20220514/6376742420224733adc9b4d1b1d0a9d8.png
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[249993-20170725154200021-869603681.png]: /images/20220514/e5d156931fe64a4aab5010f6c733eb29.png
[249993-20170725160254943-1515467235.png]: /images/20220514/24202b4ed2394a1ba6a6faae530407bd.png
[20170123110634173]: /images/20220514/c385e404814a47728c1f817e7f36586d.png
[20170123110716285]: /images/20220514/2e0c710f750241119cbafc9110cbe561.png
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