探索HashMap

桃扇骨 2022-05-22 03:59 144阅读 0赞

在java.util包中提供了一些集合类，这些集合类又被称为容器。集合是用来存放对象的引用。常用的集合有List集合，Set集合以及Map集合，其中List与Set继承了Collection接口，各接口还提供了不同的实现类，如图：

![70][]

List和Set的知识点在网上比比皆是，也不太复杂，此文章就主要探索一下Map的一些知识点。

Map是没有继承Collection接口的，其提供的是key到value的映射。Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个value。key还决定了存储对象在映射中的存储位置，但不是由key本身决定的，而是通过一种“散列技术”进行处理。产生了一个散列码的整数值，散列码通常用作一个偏移量，该偏移量对应分配给映射的内存区域的起始位置，从而确定存储对象在映射中的存储位置。

Map接口提供了将key映射到值的对象。一个映射不能包含重复的key，每个key最多只能映射到一个值。Map接口中同样提供了集合的常用方法。如图：

![70 1][]

Map集合中允许值对象是null，而且没有个数的限制。map.put(1,null),map.put(2,null)都是可以的。

**一、比较**

Map中常用的实现类有HashMap和TreeMap，在运用的时候建议用HashMap来实现Map集合，即Map map = new HashMap( )。因为由HashMap类实现的Map集合添加和删除映射关系效率更高。

1、HashMap是基于哈希表的Map接口的实现，HashMap通过哈希表对其内部的映射关系进行了快速查找。

注意：HashMap允许使用null值和null键，即key和value都可以为null，但是必须要保证键的唯一性，即key为null的键值对只能有一个。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序一直不变。

2、TreeMap中的映射关系存在一定的顺序，如果你希望Map集合中的对象也存在一定的顺序，应该使用TreeMap类来实现Map集合，即Map map = new TreeMap( )。

注意：TreeMap类不仅实现了Map接口，还实现了java.util.SortedMap接口，因此，在集合中的映射关系具有一定的顺序。但是在添加、删除和定位映射关系时，TreeMap比HashMap的性能稍差。由于TreeMap类实现的Map集合中的映射关系是根据键对象按照一定的顺序排列的，因此不允许键的对象为null，即key不能为null。

比对一个HashMap和TreeMap的源码所实现的类：

**HashMap：**

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**TreeMap：**

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看了源码之后，HashMap，TreeMap和Map的更加详细的关系应该是，如图：

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**二、HashMap的实现原理（重点）**

在java语言中，最基本的结构就是数组，引用(模拟指针)。所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的，HashMap也是一样的。但是实际上，HashMap就是一个“散列链表”的数据结构，即是链表和数组的结合体。

从源码来做分析：

![70 7][]

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其实不难看出，HashMap的底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个单独的链表。当新建一个HashMap时，就会初始化一个Node<K,V>\[ \]数组。

Node就是数组中的元素，每个Map.Entry其实就是一个key-value的键值对，它拥有一个指向下一个元素的引用(this.next =  next,next实质上还是一个Node元素)，这就构成了链表。

**1、储存**

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第一步：先将key进行hash算法：

![70 10][]

第二步：调用的是putVal( )方法：

/**
     * Implements Map.put and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //1.判断tab是否为空，是否还有剩余空间，是否需要扩容操作
     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //2.给p赋值，值为一个节点的位置，如果其为空，就创建一个新节点，     // 调用的LinkedHashMapde的newNode方法
     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
        //3.比较hash值是否相同
     if (p.hash == hash &&
        //4.比较key的实例是否相同
     ((k = p.key) == key || 
        //5.比较key的值
        (key != null && key.equals(k))))
                 e = p;//6.如果值已经存在，则直接覆盖
            else if (p instanceof TreeNode)

//7.如果p是一个TreeNode对象的话，就在红黑树中直接插入键值对
    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
     else {
     //8.开始遍历链表，准备插入
     for (int binCount = 0; ; ++binCount) {               
         if ((e = p.next) == null) {
      
     //9.创建要进行插入的节点
            p.next = newNode(hash, key, value, null);
     //10.如果链表的长度大于了8，就进行链表->红黑树的转换操作
            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st                      
              treeifyBin(tab, hash);                  
              break;            
            }
        //11.如果存在key值，则直接赋值覆盖掉value    
                 if (e.hash == hash &&      
                      ((k = e.key) == key || 
                            (key != null && key.equals(k))))     
                               break;              
                              p = e;        
                                }      
                              }         
           //12.以上的过程都是给e这个Node<K,V>赋值  
           if (e != null) { // existing mapping for key      
                  V oldValue = e.value;      
                  if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)        
                        e.value = value;           
                         afterNodeAccess(e);       
                 return oldValue;     
               }   
             }    
         //13.判断是否超过最大容器，需要扩容    
             ++modCount;   
             if (++size > threshold)        
                resize();    
                afterNodeInsertion(evict);  
              return null;
            }

这里对put方法只是有一个简单的说明，如果想要更加深入研究的同学，可以阅读以下文章：

1）. [https://www.cnblogs.com/jzb-blog/p/6637823.html][https_www.cnblogs.com_jzb-blog_p_6637823.html]

2）. [https://blog.csdn.net/AJ1101/article/details/79413939][https_blog.csdn.net_AJ1101_article_details_79413939]

**2.获取**

![70 11][]

第一步：调用getNode方法，根据key返回的hash值和key值查询Node节点。

第二步：判断e这个节点是否为null，如果为null就返回NULL值，如果不为null就返回它的value值。

/**
     * Implements Map.get and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    //1.根据key搜索节点的方法，（判断key相等的条件：hash相同且符合equals方法）
     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            //2.根据输入的hash值，可以直接计算出对应的下标(n-1)&hash，缩小查询范围，
            //  如果存在结果，则必定在table的这个位置上
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //3.判断第一个存在的节点的key是否和查询的key相等，如果相等，直接返回该节点        
                 return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                //4.遍历该链表（或红黑树）直到next为null
                 if (first instanceof TreeNode)
                //5.当这个table节点上存储的是红黑树结构时，
                //  在根节点first上调用getTreeNode方法，
                //  在内部遍历红黑树节点，查看是否有匹配的TreeNode
                     return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                 //6.如果当这个table节点上存储的是链表结构时，用跟第3点的方式去判断key是否相同                 if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
                //7.如果key不同，则一直遍历下去直到链表尽头，直到e.next == null
            }
        }
        return null;
    }

**3.删除**

**![70 12][]**

第一步：调用removeNode方法

第二步：判断e这个节点是否为null，如果为null就返回null值，如果不为null就返回其value值

/**
     * Implements Map.remove and related methods
     *
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to match if matchValue, else ignored
     * @param matchValue if true only remove if value is equal
     * @param movable if false do not move other nodes while removing
     * @return the node, or null if none
     */
    final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
             else if ((e = p.next) != null) {
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((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 TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    tab[index] = node.next;
                else
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

**4.扩容方法**

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;
    }

扩容太过复杂，请参照

1）. [https://blog.csdn.net/mymilkbottles/article/details/76576367][https_blog.csdn.net_mymilkbottles_article_details_76576367]

2）. [https://blog.csdn.net/u012961566/article/details/72963157][https_blog.csdn.net_mymilkbottles_article_details_76576367]

结合理解。

**5.清除**

/**
     * Removes all of the mappings from this map.
     * The map will be empty after this call returns.
     */
    public void clear() {
        Node<K,V>[] tab;
        modCount++;
        if ((tab = table) != null && size > 0) {
            size = 0;
            for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
                //遍历循环，所有设置为null
                tab[i] = null;
        }
    }

[70]: /images/20220522/d3be94ce030f4f15bd751b253b1f0a0e.png
[70 1]: /images/20220522/71e4489f67e64c89adcaa8127c2ca1a5.png
[70 2]: /images/20220522/93576dcf3b894e4fab4fdb9400ab49aa.png
[70 3]: /images/20220522/e961c68654914eb2b7b009a3bfac8d10.png
[70 4]: /images/20220522/3b382596822b4cc48a6f67052992ec35.png
[70 5]: /images/20220522/05517284f8524a279d62f14b8701649d.png
[70 6]: /images/20220522/5106e88f6c274021a026154c381fd99e.png
[70 7]: /images/20220522/2f8646c4c40d49569f922bfcbcf9b0ab.png
[70 8]: /images/20220522/c767a65af45946009eae060c37c2b72e.png
[70 9]: /images/20220522/c6d54fa801884df8a170f4ab1ad7feed.png
[70 10]: /images/20220522/11f12c47e9bc4bdd93b1e4de430013f0.png
[https_www.cnblogs.com_jzb-blog_p_6637823.html]: https://www.cnblogs.com/jzb-blog/p/6637823.html
[https_blog.csdn.net_AJ1101_article_details_79413939]: https://blog.csdn.net/AJ1101/article/details/79413939
[70 11]: /images/20220522/16ced4b9e5c74d84be236a7edeb67828.png
[70 12]: /images/20220522/299ba4f33c0844239adae339f15a4c6c.png
[https_blog.csdn.net_mymilkbottles_article_details_76576367]: https://blog.csdn.net/u012961566/article/details/72963157