yaclty/Java-Interview-Guide
1
0
Fork 0
mirror of https://github.com/Snailclimb/JavaGuide synced 2025-08-14 05:21:42 +08:00
Code Issues Projects Releases Wiki Activity

Update HashMap(JDK1.8)源码+底层数据结构分析.md

Browse Source
This commit is contained in:
guide 2021-02-25 15:30:26 +08:00
parent 11ebd35f39
commit 39388a4aa0
1 changed files with 94 additions and 68 deletions
Show Stats Download Patch File Download Diff File Expand all files Collapse all files

162
docs/java/collection/HashMap(JDK1.8)源码+底层数据结构分析.md
View File

@ -1,52 +1,60 @@
<!-- MarkdownTOC -->
<!-- @import "[TOC]" {cmd="toc" depthFrom=1 depthTo=6 orderedList=false} -->
<!-- code_chunk_output -->
- [HashMap 简介](#hashmap-简介) - [HashMap 简介](#hashmap-简介)
- [底层数据结构分析](#底层数据结构分析) - [底层数据结构分析](#底层数据结构分析)
- [JDK1.8之前](#jdk18之前) - [JDK1.8 之前](#jdk18-之前)
- [JDK1.8之后](#jdk18之后) - [JDK1.8 之后](#jdk18-之后)
- [HashMap源码分析](#hashmap源码分析) - [HashMap 源码分析](#hashmap-源码分析)
- [构造方法](#构造方法) - [构造方法](#构造方法)
- [put方法](#put方法) - [put 方法](#put-方法)
- [get方法](#get方法) - [get 方法](#get-方法)
- [resize方法](#resize方法) - [resize 方法](#resize-方法)
- [HashMap常用方法测试](#hashmap常用方法测试) - [HashMap 常用方法测试](#hashmap-常用方法测试)
<!-- /code_chunk_output -->
<!-- /MarkdownTOC -->
> 感谢 [changfubai](https://github.com/changfubai) 对本文的改进做出的贡献！ > 感谢 [changfubai](https://github.com/changfubai) 对本文的改进做出的贡献！
## HashMap 简介 ## HashMap 简介
HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的Map接口实现，是常用的Java集合之一。
HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的 Map 接口实现，是常用的 Java 集合之一。
JDK1.8 之前 HashMap 由 数组+链表 组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）。 JDK1.8 之前 HashMap 由 数组+链表 组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）。
JDK1.8 之后 HashMap 的组成多了红黑树，在满足下面两个条件之后，会执行链表转红黑树操作，以此来加快搜索速度。 JDK1.8 之后 HashMap 的组成多了红黑树，在满足下面两个条件之后，会执行链表转红黑树操作，以此来加快搜索速度。
- 链表长度大于阈值（默认为 8） - 链表长度大于阈值（默认为 8）
- HashMap数组长度超过64å - HashMap 数组长度超过 64
## 底层数据结构分析 ## 底层数据结构分析
### JDK1.8之前
### JDK1.8 之前
JDK1.8 之前 HashMap 底层是 **数组和链表** 结合在一起使用也就是 **链表散列**。 JDK1.8 之前 HashMap 底层是 **数组和链表** 结合在一起使用也就是 **链表散列**。
HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 `(n - 1) & hash` 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。 HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 `(n - 1) & hash` 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。
所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。 所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。
**JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:** **JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:**
JDK 1.8 的 hash方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。 JDK 1.8 的 hash 方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。
```java ```java
static final int hash(Object key) { static final int hash(Object key) {
int h; int h;
// key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode
// ^ ：按位异或 // ^ ：按位异或
// >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐 // >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
} }
``` ```
对比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法源码.
对比一下 JDK1.7 的 HashMap 的 hash 方法源码.
```java ```java
static int hash(int h) { static int hash(int h) {
@ -65,57 +73,60 @@ static int hash(int h) {
![jdk1.8之前的内部结构](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-7/jdk1.8之前的内部结构.png) ![jdk1.8之前的内部结构](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-7/jdk1.8之前的内部结构.png)
### JDK1.8之后 ### JDK1.8 之后
相比于之前的版本，JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化。 相比于之前的版本，JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化。
当链表长度大于阈值（默认为 8）时，会首先调用 `treeifyBin()`方法，这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是执行 `resize()` 方法对数组扩容。相关源码这里就不贴了，重点关注 `treeifyBin()`方法即可！ 当链表长度大于阈值（默认为 8）时，会首先调用 `treeifyBin()`方法，这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是执行 `resize()` 方法对数组扩容。相关源码这里就不贴了，重点关注 `treeifyBin()`方法即可！
![](https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-bba283228693dae74e78da1ef7a9a04c684.png) ![](https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-bba283228693dae74e78da1ef7a9a04c684.png)
**类的属性：** **类的属性：**
```java ```java
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable { public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
// 序列号 // 序列号
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
// 默认的初始容量是16 // 默认的初始容量是16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 最大容量 // 最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认的填充因子 // 默认的填充因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 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 // 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; static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表 // 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; 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 // 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; static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 存储元素的数组，总是2的幂次倍 // 存储元素的数组，总是2的幂次倍
transient Node<k,v>[] table; transient Node<k,v>[] table;
// 存放具体元素的集 // 存放具体元素的集
transient Set<map.entry<k,v>> entrySet; 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。 // 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。
transient int size; transient int size;
// 每次扩容和更改map结构的计数器 // 每次扩容和更改map结构的计数器
transient int modCount; transient int modCount;
// 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容 // 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容
int threshold; int threshold;
// 加载因子 // 加载因子
final float loadFactor; final float loadFactor;
} }
``` ```
- **loadFactor加载因子**
loadFactor加载因子是控制数组存放数据的疏密程度，loadFactor越趋近于1，那么 数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，loadFactor越小，也就是趋近于0，数组中存放的数据(entry)也就越少，也就越稀疏。 - **loadFactor 加载因子**
**loadFactor太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor的默认值为0.75f是官方给出的一个比较好的临界值**。 loadFactor 加载因子是控制数组存放数据的疏密程度，loadFactor 越趋近于 1，那么 数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，loadFactor 越小，也就是趋近于 0，数组中存放的数据(entry)也就越少，也就越稀疏。
给定的默认容量为 16，负载因子为 0.75。Map 在使用过程中不断的往里面存放数据，当数量达到了 16 * 0.75 = 12 就需要将当前 16 的容量进行扩容，而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作，所以非常消耗性能。 **loadFactor 太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor 的默认值为 0.75f 是官方给出的一个比较好的临界值**。
给定的默认容量为 16，负载因子为 0.75。Map 在使用过程中不断的往里面存放数据，当数量达到了 16 \* 0.75 = 12 就需要将当前 16 的容量进行扩容，而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作，所以非常消耗性能。
- **threshold** - **threshold**
**threshold = capacity * loadFactor**，**当Size>=threshold**的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 **衡量数组是否需要扩增的一个标准**。 **threshold = capacity \* loadFactor**，**当 Size>=threshold**的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 **衡量数组是否需要扩增的一个标准**。
**Node节点类源码:** **Node 节点类源码:**
```java ```java
// 继承自 Map.Entry<K,V> // 继承自 Map.Entry<K,V>
@ -158,7 +169,9 @@ static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
} }
} }
``` ```
**树节点类源码:** **树节点类源码:**
```java ```java
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // 父 TreeNode<K,V> parent; // 父
@ -177,7 +190,9 @@ static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
r = p; r = p;
} }
``` ```
## HashMap源码分析
## HashMap 源码分析
### 构造方法 ### 构造方法
HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下： HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下：
@ -187,18 +202,18 @@ HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下：
public HashMap() { public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
} }
// 包含另一个“Map”的构造函数 // 包含另一个“Map”的构造函数
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法 putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法
} }
// 指定“容量大小”的构造函数 // 指定“容量大小”的构造函数
public HashMap(int initialCapacity) { public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
} }
// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数 // 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0) if (initialCapacity < 0)
@ -212,7 +227,7 @@ HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下：
} }
``` ```
**putMapEntries方法：** **putMapEntries 方法：**
```java ```java
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
@ -240,17 +255,22 @@ final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
} }
} }
``` ```
### put方法
HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。
**对putVal方法添加元素的分析如下：** ### put 方法
HashMap 只提供了 put 用于添加元素，putVal 方法只是给 put 方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。
**对 putVal 方法添加元素的分析如下：**
1. 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。 1. 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
2. 如果定位到的数组位置有元素就和要插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，如果key不相同，就判断p是否是一个树节点，如果是就调用`e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)`将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入(插入的是链表尾部)。 2. 如果定位到的数组位置有元素就和要插入的 key 比较，如果 key 相同就直接覆盖，如果 key 不相同，就判断 p 是否是一个树节点，如果是就调用`e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)`将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入(插入的是链表尾部)。
ps:下图有一个小问题，来自 [issue#608](https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/issues/608)指出：直接覆盖之后应该就会 return，不会有后续操作。参考 JDK8 HashMap.java 658 行。 说明:下图有两个小问题：
![put方法](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-7/put方法.png) - [issue#608](https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/issues/608)指出：直接覆盖之后应该就会 return，不会有后续操作。参考 JDK8 HashMap.java 658 行。
- 当链表长度大于阈值（默认为 8）并且 HashMap 数组长度超过 64 的时候才会执行链表转红黑树的操作，否则就只是对数组扩容。参考 HashMap 的 `treeifyBin()` 方法
![ ](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-7/put方法.png)
```java ```java
public V put(K key, V value) { public V put(K key, V value) {
@ -302,7 +322,7 @@ final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
} }
} }
// 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点 // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
if (e != null) { if (e != null) {
// 记录e的value // 记录e的value
V oldValue = e.value; V oldValue = e.value;
// onlyIfAbsent为false或者旧值为null // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
@ -323,21 +343,21 @@ final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
// 插入后回调 // 插入后回调
afterNodeInsertion(evict); afterNodeInsertion(evict);
return null; return null;
} }
``` ```
**我们再来对比一下 JDK1.7 put方法的代码** **我们再来对比一下 JDK1.7 put 方法的代码**
**对于put方法的分析如下：** **对于 put 方法的分析如下：**
- ①如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。 - ① 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
- ②如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的key比较，如果key相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。 - ② 如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的 key 比较，如果 key 相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。
```java ```java
public V put(K key, V value) public V put(K key, V value)
if (table == EMPTY_TABLE) { if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold); inflateTable(threshold);
} }
if (key == null) if (key == null)
return putForNullKey(value); return putForNullKey(value);
int hash = hash(key); int hash = hash(key);
@ -348,7 +368,7 @@ public V put(K key, V value)
V oldValue = e.value; V oldValue = e.value;
e.value = value; e.value = value;
e.recordAccess(this); e.recordAccess(this);
return oldValue; return oldValue;
} }
} }
@ -358,7 +378,8 @@ public V put(K key, V value)
} }
``` ```
### get方法 ### get 方法
```java ```java
public V get(Object key) { public V get(Object key) {
Node<K,V> e; Node<K,V> e;
@ -389,8 +410,11 @@ final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
return null; return null;
} }
``` ```
### resize方法
进行扩容，会伴随着一次重新hash分配，并且会遍历hash表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免resize。 ### resize 方法
进行扩容，会伴随着一次重新 hash 分配，并且会遍历 hash 表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免 resize。
```java ```java
final Node<K,V>[] resize() { final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table; Node<K,V>[] oldTab = table;
@ -409,7 +433,7 @@ final Node<K,V>[] resize() {
} }
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr; newCap = oldThr;
else { else {
// signifies using defaults // signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
@ -433,7 +457,7 @@ final Node<K,V>[] resize() {
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode) else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { else {
Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next; Node<K,V> next;
@ -473,7 +497,9 @@ final Node<K,V>[] resize() {
return newTab; return newTab;
} }
``` ```
## HashMap常用方法测试
## HashMap 常用方法测试
```java ```java
package map; package map;
@ -530,7 +556,7 @@ public class HashMapDemo {
for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) { for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {
System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue()); System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());
} }
/** /**
* HashMap其他常用方法 * HashMap其他常用方法
*/ */
@ -547,4 +573,4 @@ public class HashMapDemo {
} }
``` ```