全面解析Java中的HashMap類
HashMap 和 HashSet 是 Java Collection Framework 的兩個(gè)重要成員,其中 HashMap 是 Map 接口的常用實(shí)現(xiàn)類,HashSet 是 Set 接口的常用實(shí)現(xiàn)類。雖然 HashMap 和 HashSet 實(shí)現(xiàn)的接口規(guī)范不同,但它們底層的 Hash 存儲(chǔ)機(jī)制完全一樣,甚至 HashSet 本身就采用 HashMap 來實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)際上,HashSet 和 HashMap 之間有很多相似之處,對(duì)于 HashSet 而言,系統(tǒng)采用 Hash 算法決定集合元素的存儲(chǔ)位置,這樣可以保證能快速存、取集合元素;對(duì)于 HashMap 而言,系統(tǒng) key-value 當(dāng)成一個(gè)整體進(jìn)行處理,系統(tǒng)總是根據(jù) Hash 算法來計(jì)算 key-value 的存儲(chǔ)位置,這樣可以保證能快速存、取 Map 的 key-value 對(duì)。
在介紹集合存儲(chǔ)之前需要指出一點(diǎn):雖然集合號(hào)稱存儲(chǔ)的是 Java 對(duì)象,但實(shí)際上并不會(huì)真正將 Java 對(duì)象放入 Set 集合中,只是在 Set 集合中保留這些對(duì)象的引用而言。也就是說:Java 集合實(shí)際上是多個(gè)引用變量所組成的集合,這些引用變量指向?qū)嶋H的 Java 對(duì)象。
一、HashMap的基本特性
讀完JDK源碼HashMap.class中的注釋部分,可以總結(jié)出很多HashMap的特性。
HashMap允許key與value都為null, 而Hashtable是不允許的。
HashMap是線程不安全的, 而Hashtable是線程安全的
HashMap中的元素順序不是一直不變的,隨著時(shí)間的推移,同一元素的位置也可能改變(resize的情況)
遍歷HashMap的時(shí)間復(fù)雜度與其的容量(capacity)和現(xiàn)有元素的個(gè)數(shù)(size)成正比。如果要保證遍歷的高效性,初始容量(capacity)不能設(shè)置太高或者平衡因子(load factor)不能設(shè)置太低。
與之前的相關(guān)List同樣, 由于HashMap是線程不安全的, 因此迭代器在迭代過程中試圖做容器結(jié)構(gòu)上的改變的時(shí)候, 會(huì)產(chǎn)生fail-fast。通過Collections.synchronizedMap(HashMap)可以得到一個(gè)同步的HashMap
二、Hash table 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析
Hash table(散列表,哈希表),是根據(jù)關(guān)鍵字而直接訪問內(nèi)存存儲(chǔ)位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。也就是說散列表建立了關(guān)鍵字和存儲(chǔ)地址之間的一種直接映射
如下圖, key經(jīng)過散列函數(shù)得到buckets的一個(gè)索引位置。

通過散列函數(shù)獲取index不可避免會(huì)出現(xiàn)相同的情況,也就是沖突。下面簡(jiǎn)單介紹幾種解決沖突的方法:
Open addressing(開放定址法):此方法的基本思想就是遇到?jīng)_突時(shí),順序掃描表下N個(gè)位置,如果有空閑就填入。具體算法不再說明,下面是示意圖:

Separate chaining(拉鏈):此方法基本思想就是遇到?jīng)_突時(shí),將相同索引值的Entry用鏈表串起來。具體算法不再說明,下面是示意圖:

JDK中的HashMap解決沖突的方法就是用的Separate chaining法。
三、HashMap源碼分析(JDK1.7)
1、HashMap讀寫元素
Entry
HashMap中的存放的元素是Entry類型,下面給出源碼中Entry的源碼:
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
//key, value的get與set方法省略,get與set操作會(huì)在后面的迭代器中用到
...
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
//此處將Key的hashcode與Value的hashcode做亦或運(yùn)算得到Entry的hashcode
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}
一個(gè)Entry包括key, value, hash以及下一個(gè)Entry的引用, 很明顯這是個(gè)單鏈表, 其實(shí)現(xiàn)了Map.Entry接口。
recordAcess(HashMap<K, V> 與recordRemoval(HashMap<K, V>)在HashMap中是沒有任何具體實(shí)現(xiàn)的。但是在LinkedHashMap這兩個(gè)方法用來實(shí)現(xiàn)LRU算法。
get:讀元素
從HashMap中獲取相應(yīng)的Entry, 下面給出get相關(guān)源碼:
public V get(Object key) {
//key是null的情況
if (key == null)
return getForNullKey();
//根據(jù)key查找Entry
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
getForNullKey源碼
private V getForNullKey() {
if (size == 0) {
return null;
}
//遍歷沖突鏈
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
key為Null的Entry存放在table[0]中,但是table[0]中的沖突鏈中不一定存在key為null, 因此需要遍歷。
根據(jù)key獲取entry:
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
//通過hash得到table中的索引位置,然后遍歷沖突鏈表找到Key
for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
e != null;
e = e.next) {
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
以上就是HashMap讀取一個(gè)Entry的過程及其源碼。時(shí)間復(fù)雜度O(1)
put:寫元素
HashMap中put操作相對(duì)復(fù)雜, 因?yàn)閜ut操作的過程中會(huì)有HashMap的擴(kuò)容操作。
新寫入一個(gè)元素,如果HashMap中存在要寫入元素的key,則執(zhí)行的是替換value的操作,相當(dāng)于update。下面是put源碼:
public V put(K key, V value) {
//空表table的話,根據(jù)size的閾值填充
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
//填充key為Null的Entry
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//生成hash,得到索引Index的映射
int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
//遍歷當(dāng)前索引的沖突鏈,找是否存在對(duì)應(yīng)的key
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果存在對(duì)應(yīng)的key, 則替換oldValue并返回oldValue
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
//沖突鏈中不存在新寫入的Entry的key
modCount++;
//插入一個(gè)新的Entry
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
addEntry與createEntry源碼:
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//插入新Entry前,先對(duì)當(dāng)前HashMap的size和其閾值大小的判斷,選擇是否擴(kuò)容
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
//頭插法,新寫入的entry插入當(dāng)前索引位置的沖突鏈第一個(gè)Entry的前面
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
以上就是HashMap寫入一個(gè)Entry的過程及其源碼。時(shí)間復(fù)雜度O(1)
remove移除元素:
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//根據(jù)key計(jì)算hash值,獲取索引
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
//鏈表的刪除,定義兩個(gè)指針,pre表示前驅(qū)
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
//遍歷沖突鏈,刪除所有為key的Enrty
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
//找到了
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
//找到第一個(gè)結(jié)點(diǎn)就是要?jiǎng)h除的結(jié)點(diǎn)
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}
以上就是HashMap刪除一個(gè)Entry的過程及其源碼。時(shí)間復(fù)雜度O(1)
2、HashMap的哈希原理(hash function)
HashMap中散列函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過hash(Object k) 與 indexFor(int h, int length)完成, 下面看下源碼:
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
//為了降低沖突的幾率
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
獲取Index索引源碼:
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
return h & (length-1);
}
HashMap通過一個(gè)hash function將key映射到[0, table.length]的區(qū)間內(nèi)的索引。這樣的索引方法大體有兩種:
hash(key) % table.length, 其中l(wèi)ength必須為素?cái)?shù)。JDK中HashTable利用此實(shí)現(xiàn)方式。
具體使用素?cái)?shù)的原因,可以查找相關(guān)算法資料證明,這里不再陳述。
hash(key) & (table.length - 1 ) 其中l(wèi)ength必須為2指數(shù)次方。JDK中HashMap利用此實(shí)現(xiàn)方式。
因?yàn)閘ength的大小為2指數(shù)次方倍, 因此 hash(key) & (table.length - 1)總會(huì)在[0, length - 1]之間。但是僅僅這樣做的話會(huì)出現(xiàn)問題一個(gè)沖突很大的問題,因?yàn)镴AVA中hashCode的值為32位,當(dāng)HashMap的容量偏小,例如16時(shí),做異或運(yùn)算時(shí),高位總是被舍棄,低位運(yùn)算后卻增加了沖突發(fā)生的概率。
因此為了降低沖突發(fā)生的概率, 代碼中做了很多位運(yùn)算以及異或運(yùn)算。
3、HashMap內(nèi)存分配策略
成員變量capacity與loadFactor
HashMap中要求容量Capacity是2的指數(shù)倍, 默認(rèn)容量是1 << 4 = 16。HashMap中還存在一個(gè)平衡因子(loadFactor),過高的因子會(huì)降低存儲(chǔ)空間但是查找(lookup,包括HashMap中的put與get方法)的時(shí)間就會(huì)增加。 loadFactor默認(rèn)值為0.75是權(quán)衡了時(shí)間復(fù)雜度以及空間復(fù)雜度給出的最優(yōu)值。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
HashMap的構(gòu)造函數(shù)
HashMap的構(gòu)造就是設(shè)置capacity,與loadFactor的初始值
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
init();
}
之前說過HashMap中capacity必須是2的指數(shù)倍, 構(gòu)造函數(shù)里并沒有限制,那如何保證保證capacity的值是2的指數(shù)倍呢?
在put操作時(shí)候,源碼中會(huì)判斷目前的哈希表是否是空表,如果是則調(diào)用inflateTable(int toSize)
private void inflateTable(int toSize) {
// Find a power of 2 >= toSize
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
其中roundUpToPowerOf2就是獲取大于等于給定參數(shù)的最小的2的n次冪
private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
// assert number >= 0 : "number must be non-negative";
return number >= MAXIMUM_CAPACITY
? MAXIMUM_CAPACITY
: (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
}
Integer.hightestOneBit(int)是將給定參數(shù)的最高位的1保留,剩下的變?yōu)?的操作,簡(jiǎn)單說就是將參數(shù)int變?yōu)樾∮诘扔谒淖畲蟮?的n次冪。
若number為2的n次冪,減1后最高位處于原來的次高位, 再左移1位仍然可以定位到最高位位置
若number不是2的n次冪,減1左移1位后最高位仍是原來的最高位
擴(kuò)容:
HashMap在put操作的時(shí)候會(huì)發(fā)生resize行為,具體源碼如下:
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
//哈希表已達(dá)到最大容量,1 << 30
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//將oldTable中的Entry轉(zhuǎn)移到newTable中
//initHashSeedAsNeeded的返回值決定是否重新計(jì)算hash值
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
//重新計(jì)算threshold
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
//遍歷oldTable
for (Entry<K,V> e : table) {
//遍歷沖突鏈
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
//重新計(jì)算hash值
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
//將元素插入到頭部,頭插法
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
以上就是HashMap內(nèi)存分配的整個(gè)過程,總結(jié)說來就是,hashMap在put一個(gè)Entry的時(shí)候會(huì)檢查當(dāng)前容量與threshold的大小來選擇是否擴(kuò)容。每次擴(kuò)容的大小是2 * table.length。在擴(kuò)容期間會(huì)根據(jù)initHashSeedAsNeeded判斷是否需要重新計(jì)算hash值。
四、HashMap的迭代器
HashMap中的ValueIterator, KeyIterator, EntryIterator等迭代器都是基于HashIterator的,下面看下它的源碼:
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K,V> next; // next entry to return
int expectedModCount; // For fast-fail
int index; // current slot,table index
Entry<K,V> current; // current entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
//在哈希表中找到第一個(gè)Entry
if (size > 0) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry<K,V> nextEntry() {
//HashMap是非線程安全的,遍歷時(shí)仍然先判斷是否有表結(jié)構(gòu)的修改
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
//找到下一個(gè)Entry
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
expectedModCount = modCount;
}
}
Key, Value, Entry這個(gè)三個(gè)迭代器進(jìn)行封裝就變成了keySet, values, entrySet三種集合視角。這三種集合視角都支持對(duì)HashMap的remove, removeAll, clear操作,不支持add, addAll操作。
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