【java基础】HashMap源码解析

柔情只为你懂 2023-09-24 23:04 145阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  基础说明
 *  构造器
 *  put方法（无扩容，无冲突）
 *  put方法（无冲突，有扩容）
 *  put方法（有冲突，无树化）
 *  put方法（有冲突，树化）
 *  remove方法（树退化）
 *  常见方法
 *  总结

# 基础说明 #

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

HashMap 实现了 Map 接口，根据键的 HashCode 值存储数据，具有很快的访问速度，最多允许一条记录的键为 null，不支持线程同步。

HashMap 是无序的，即不会记录插入的顺序。

HashMap 继承于AbstractMap，实现了 Map、Cloneable、java.io.Serializable 接口。

下面是HashMap的类图

![在这里插入图片描述][e948bef12e2a4bf887b8901a3679a02b.png]

在HashMap里面，我们存储的每一个节点都是一个Node

/**
         * Basic hash bin node, used for most entries.  (See below for
         * TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)
         */
        static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        
            final int hash;
            final K key;
            V value;
            Node<K,V> next;
    
            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;
            }
    
            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;
            }
        }

**对于HashMap，这篇文章不会对hash算法还有红黑树的原理进行说明，这个是属于数据结构的知识！！！**

在开始了解HashMap源码前，先对HashMap的几个重要成员属性进行说明

/**
         * The table, initialized on first use, and resized as
         * necessary. When allocated, length is always a power of two.
         * (We also tolerate length zero in some operations to allow
         * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
         */
        transient Node<K,V>[] table;

table就是用来存储元素的

/**
         * The number of key-value mappings contained in this map.
         */
        transient int size;

size表示元素个数

/**
         * The default initial capacity - MUST be a power of two.
         */
        static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    
        /**
         * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
         * by either of the constructors with arguments.
         * MUST be a power of two <= 1<<30.
         */
        static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    
        /**
         * The load factor used when none specified in constructor.
         */
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

上面几个是关于table容量的一些属性

/**
         * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
         * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
         * bin with at least this many nodes. The value must be greater
         * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
         * tree removal about conversion back to plain bins upon
         * shrinkage.
         */
        static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
    
        /**
         * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
         * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
         * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
         */
        static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    
        /**
         * The smallest table capacity for which bins may be treeified.
         * (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
         * Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
         * between resizing and treeification thresholds.
         */
        static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

上面这些是关于是否树形化的一些属性

# 构造器 #

在HashMap中有3个构造器，分别如下

**无参构造器**

![在这里插入图片描述][3f093a6c4d45454c8d3a1ee001aa6e2d.png]

**指定初始容量**

![在这里插入图片描述][939e7b36511340a9a4b5cd90a4c30f46.png]

**指定初始容量和负载因子**

![在这里插入图片描述][d98032e0e2a047479a0b0367e01d6e98.png]

**通过Map创建**

![在这里插入图片描述][5d96089a565a4819a38d2c01a49e011f.png]

对于HashMap，一般都是使用无参构造器。对于初始容量，默认值就是16，对于负载因子，默认值就是0.75。

负载因子的作用就是判断table是否需要扩容了，如果table的容量达到了 当前容量\*负载因子，那么就会进行扩容

# put方法（无扩容，无冲突） #

现在我们就来开始debug，下面就是要进行debug的代码

public static void main(String[] args) {
        
            HashMap<Integer, String> hashMap = new HashMap<>();
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
        
                hashMap.put(i, "100");
            }
        }

对于debug，我们主要是看过程，一定不要过分在意细节，不然就绕进去了。下面就开始debug了

> 首先看看创建HashMap后有什么

![在这里插入图片描述][0142e4da1260452d93ec9370f8f098dd.png]

![在这里插入图片描述][be225e28d9904676a23e83bbb2ebf02b.png]

> 可以发现创建就是设置了一些负载因子

> 然后进入put方法

![在这里插入图片描述][27517897ad984a19a9d18bfb7ae239a4.png]

> 该方法首先会计算传入k的hash值，对于hash算法，这里不做说明，请参考数据结构，下面就是hash方法的内容

![在这里插入图片描述][909de84a5d6a4e478b8252f343016821.png]

> 计算完hash后，进入putVal方法

![在这里插入图片描述][98e1423566aa4c94b0e0fd0185fe7e11.png]

> 这个if就是判断当前table是否为null，显然是的，于是就进入到resize方法。resize方法内容很多，这里我不会说明每一条语句，挑重要的进行说明。在这之前，我们应当看一下该方法的注释

/**
         * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
         * accord with initial capacity target held in field threshold.
         * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
         * elements from each bin must either stay at same index, or move
         * with a power of two offset in the new table.
         *
         * @return the table
         */

> 开始debug  
> ![在这里插入图片描述][9b44802901b444d7b8d6b4f24d527aed.png]

> 继续往下面走

![在这里插入图片描述][e8d8079739fa45d888fdc35d94277f94.png]

> 上面的判断完成后就开始真正创建数组了

![在这里插入图片描述][4d6727bb2c4b401b84fabd2e2f15fd56.png]

> 然后赋值，对于下面的if判断，其实就是将oldTab的值复制过来，由于oldTab为null，所以这个方法就结束了,这个方法结束之后，table就已经初始化了，大小为16

![在这里插入图片描述][e203d4a037254652b3ac0c52586e63f8.png]

> 继续debug

![在这里插入图片描述][7bb3a19d216041d28b4a85df6d51b952.png]

> 这条语句就是判断指定通过hash算出来的索引位置是否已经存放了值，显然没有，所以就会将其设置到指定位置

![在这里插入图片描述][0006b3279dd6483e8c68dfcb64e418ae.png]

> 继续往下面走，可以看见一个if语句  
> ![在这里插入图片描述][3b4b8112dc2948a0ad037d50fae83a40.png]

> 这个就是用来判断是否需要扩容的，threshold就是当前容量\*负载因子，这里的threshold就是12

![在这里插入图片描述][73ab48a17b174552ade747ae38f7deac.png]

> 继续往下走，方法结束

![在这里插入图片描述][d5c46540b2764436b77b9a9e9fc368e9.png]

> 下面就是添加完一个元素后的HashMap信息

![在这里插入图片描述][0e791a239e3c49719d555964e1bebf95.png]  
![在这里插入图片描述][3060432314cc4a36942d1933005156c2.png]

--------------------

# put方法（无冲突，有扩容） #

我们通过上面的学习应该知道了当table数组使用3/4的时候就会扩容了，下面来具体看一下流程

还是这个代码，我们使用条件debug，看看i==12的时候是如何进行扩容的

![在这里插入图片描述][8407286995e54446a4320e92b62b0a33.png]

> 由于大部分内容都是和一般情况一样的，所以我就直接跳到关键部分

![在这里插入图片描述][99c3c2f02e2a4b02801a76c232c58952.png]

> 当i=12的时候，++size会>threshold，所以会执行resize方法。resize方法前面部分也是一样的，我也是直接跳到关键部分

![在这里插入图片描述][247321f3a5e84c8a99032f611c2de275.png]  
![在这里插入图片描述][adfbabf8dbb145f39cbda1b32da70c3a.png]

> 由于我们的table没有发生冲突，在这个循环里面 e.next==null 永远成立

![在这里插入图片描述][fc8d64c6ba2042068aef1f5a82608c94.png]

> 复制完成之后就会返回新table，大小为32，threshold会更新为24

![在这里插入图片描述][5c0b1c98b8c84256b06b700ae177c499.png]

> 对于一般情况下的扩容，下面的条件基本都会成立，也就是threshold和容量都会翻倍

![在这里插入图片描述][a59b0f4c5d2b4ae9af51f65931b0b91a.png]

--------------------

# put方法（有冲突，无树化） #

上面我们都是介绍的无hash冲突的情况，现在就来debug下出现hash冲突的情况

public class FixHashCat {
        
    
        @Override
        public int hashCode() {
        
            return 12345678;
        }
    }

上面的FixHashCat重写了hashCode，使之成为固定值，这样方便debug

public static void main(String[] args) {
        
            HashMap<FixHashCat, String> hashMap = new HashMap<>();
    
            hashMap.put(new FixHashCat(), "1");
            hashMap.put(new FixHashCat(), "2");
        }

上面的第二个put肯定就会产生hash冲突，下面就来看一下流程吧

> 对于重复的步骤我就跳过了，现在还是会进入putVal方法

![在这里插入图片描述][2aa5af713e9e4bd68ab00a0ccca5a355.png]  
![在这里插入图片描述][e1459302e68546069f26e16616dc9022.png]

> 由于我们没有重写equals方法，当前也没有树化，所以会进行如else语句

![在这里插入图片描述][e43f0a34fa724ee9ad876f9788819e01.png]

> 对于是否树化，链表的数量要大于等于7才行，加上新加入的那个，bitCount又是从0开始的，也就是当链表个数达到9个就会进行树化

![在这里插入图片描述][55c981f4d59e4173998cd3e02c80fa22.png]

> 由于我们添加后链表长度都才为2，所以显然不会树化，继续执行，将当前元素添加到指定索引的链表末尾。继续往下执行，还可以发现一个if

![在这里插入图片描述][467aa2e5a37144e08700e0c550019c90.png]

> 我们指定map里面key是唯一的，如果添加2个相同的key，那么前面个key的值就会被覆盖，这里的if就是用来完成这个事情的。继续debug

![在这里插入图片描述][5d09ad251d6b4ba487e35005e8f91a6d.png]

> 执行到这里，debug也就基本结束了，最后来看看table的结构

![在这里插入图片描述][c43bb0e39c09456ca172b8c50e20d94c.png]

--------------------

# put方法（有冲突，树化） #

上面看见了当链表个数达到9个的时候会进行树化，链表变换为红黑树，下面就来debug这个过程

public static void main(String[] args) {
        
            HashMap<FixHashCat, String> hashMap = new HashMap<>();
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
        
                hashMap.put(new FixHashCat(), i + "");
            }
            hashMap.put(new FixHashCat(), "8");
        }

我使用上面代码进行debug，查看hashMap.put(new FixHashCat(), “8”)这条语句添加时候的情况

> 前面相同的部分我就跳过了，直接从树化部分开始

![在这里插入图片描述][b26bfe03be6e4368b731856cf3f49578.png]

> 进入到treeifyBin，结果由于table容量太小(这里是16)，于是会重设table大小，并不会树化。

![在这里插入图片描述][c8062913b82846ae861688944f3834bc.png]

> 为了看到树化的过程，我在创建HashMap的时候指定初始容量

public static void main(String[] args) {
        
            HashMap<FixHashCat, String> hashMap = new HashMap<>(128);
            for (int i = 0; i < 8; i++) {
        
                hashMap.put(new FixHashCat(), i + "");
            }
            hashMap.put(new FixHashCat(), "9");
        }

> 还是debug到treeifyBin

![在这里插入图片描述][6724e018d1674a849baf5fff20d8c343.png]

> 简单看一下replacementTreeNode，代码很简单，如下

![在这里插入图片描述][b408810387fc446d9de8754593d27e84.png]

> 对于do-while里面的内容我并不关心，直接跳到if语句

![在这里插入图片描述][f58227c28e9247ee99679fb50f425637.png]

> 可以看一下hd的内容

![在这里插入图片描述][d03dbcb0d4ee43bf85d007b901ef7c66.png]

> 下面就是执行treeify方法

![在这里插入图片描述][0bcddcecc17747a4bda06e2a2786388e.png]

> 对于这个方法，完全就是属于数据结构了，这里不进行说明，大家可以自行查看源代码。现在我直接看看执行完该方法后产生的树

![在这里插入图片描述][7ed539aaf0cd4cc6b9aee305b17a547c.png]

> 可以发现树节点就是通过TreeNode来存储的，用于快速查找。

现在关于树化的debug就结束了，现在我想对上面提到的TreeNode进行一下说明

![在这里插入图片描述][252b9f8b23494bedb3bbf4865ebb1031.png]

就是p instanceof TreeNode，这个在上面提到过，现在大家应该可以看懂了，树化之后的节点就是TreeNode，如果是TreeNode，那么就要将其添加到树，而不是链表尾部。

# remove方法（树退化） #

对于HashMap，不仅仅会将链表变化为树，当树的元素个数小于某个阈值时，树也会退化为链表

![在这里插入图片描述][b94c2d83a2e743a6a0f17e6191bd1842.png]

上面分别是树化和退化的阈值。

> 当我们删除元素的时候可能就会进行退化，树变成链表

![在这里插入图片描述][05dd1db2e5764427aecf5a477f1b9084.png]

![在这里插入图片描述][65c7b3c50d6b494fac8d6fc3471e0fae.png]  
![在这里插入图片描述][846272bcaf2b4ffa9fa9a2b5927f05d3.png]

--------------------

# 常见方法 #

在这里介绍一些HashMap里面经常使用到的方法

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法名称</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>entrySet()</td> 
   <td>返回所有元素的set集合(k-v形式)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>getOrDefault(Object key, V defaultValue)</td> 
   <td>返回指定key对于的value，如果不存在就返回defaultValue</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>keySet()</td> 
   <td>返回所有的key</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>values()</td> 
   <td>返回所有的value</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>forEach</td> 
   <td>遍历集合元素</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>containsKey(Object key)</td> 
   <td>是否包含指定key</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>containsValue(Object value)</td> 
   <td>是否包含指定value</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

--------------------

# 总结 #

HashMap使用K-V的形式存储数据，Map的扩容机制是按照2倍进行的，当达到阈值时就会扩容。当hash冲突严重时，链表会转换为红黑树，当树元素个数很少时，又会退化为链表。

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