Java HashMap源码分析

HashMap是Java集合框架中常用的一种数据结构,它是一种基于哈希表实现的映射表.在JDK1.8版本中,HashMap的get方法和put方法的实现与之前版本有些不同,下面我们来逐步分析其源码实现.

基本结构

public class HashMap extends AbstractMap
    implements Map, Cloneable, Serializable {
    // ... 
    /**
     * 默认初始容量为16
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    /**
     * 默认负载因子为0.75
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    /**
     * 最大容量:1 << 30(2的30次方)
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    /**
     * 存放元素的数组,长度总是2的幂次方
     */
    transient HashMap.Node[] table;
    /**
     * 存放键值对的数量
     */
    transient int size;
    /**
     * 扩容操作的阈值
     */
    int threshold;
    /**
     * 负载因子,用于计算阈值
     */
    final float loadFactor;
	// ...   
}

get方法

    /**
     * 根据key获取value,如果key不存在则返回null
     *
     * @param key
     * @return
     */
    public V get(Object key) {
        // 获取key对应的Node节点
        HashMap.Node e;
        // 调用getNode方法查找key对应的Node节点,并将查找结果赋值给e
        // 如果e为null就返回null否则返回e节点的value
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
    /**
     * 根据key的哈希值和key查找对应的Node节点
     *
     * @param hash
     * @param key
     * @return
     */
    final HashMap.Node getNode(int hash, Object key) {
        // 定义局部变量tab,first,e,n和k
        HashMap.Node[] tab;
        HashMap.Node first, e;
        int n;
        K k;
        // 如果table数据不为null且长度大于0,且第一个Node节点不为空,则开始查找Node节点
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
                (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            // 如果第一个Node节点的哈希值与传入的hash值相等,且第一个Node节点的key和传入的key相等,则直接返回第一个Node节点
            if (first.hash == hash && // always check first node
                    ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            // 如果第一个Node节点不是要查找的Node节点,则开始遍历链表查找对应的Node节点
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof HashMap.TreeNode)
                    // 如果第一个Node节点是红黑树节点,则调用红黑树节点的getTreeNode方法查找对应的Node节点
                    return ((HashMap.TreeNode) first).getTreeNode(hash, key);
                // 如果第一个Node节点不是红黑树节点,则遍历链表查找对应的Node节点
                do {
                    // 如果遍历到的Node节点的hash值与传入的hash值相等,且Node节点的key和传入的key相等,则返回对应的Node节点
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        // 如果在table数组中没有找到对应的Node节点,则返回null
        return null;
    }

get方法工作流程如下:

• 根据key的hashCode计算出在哈希表中的位置

• 遍历该位置上的链表或树,查找对应的键值对

• 如果找到了对应的键值对,则返回对应的value;否则返回null

put方法

    /**
     * 向HashMap中添加一个key-value键值对
     *
     * @param key
     * @param value
     * @return
     */
    public V put(K key, V value) {
        // 根据key的哈希值和key查找对应的Node节点,并添加到HashMap中
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
    /**
     * 根据key的hash值和key添加一个键值对到HashMap中
     *
     * @param hash
     * @param key
     * @param value
     * @param onlyIfAbsent
     * @param evict
     * @return
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        // 定义局部变量tab,p,n和i
        HashMap.Node[] tab;
        HashMap.Node p;
        int n, i;
        // 如果table数组为null或者长度为0,则先调用resize()方法初始化table数组
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        // 根据计算出来插入位置i插入新的键值对
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 如果插入的位置为null,则直接插入新的键值对
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            HashMap.Node e;
            K k;
            // 如果插入的位置不为null,就遍历链表或树查找插入位置
            if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof HashMap.TreeNode)
                // 如果插入位置为红黑树节点,则调用putTreeVal方法插入新的键值对
                e = ((HashMap.TreeNode) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                // 遍历链表,查找插入位置
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        // 直接在链表末尾插入新的键值对
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            // 如果此时链表长度大于等于8,则将链表转化为红黑树
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // 如果找到相同key,终止循环
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                // 如果存在相同key,则替换对应value
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            // 如果插入后的HashMap的大小大于阈值,则调用resize方法扩容HashMap
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

put方法工作流程如下:

• 根据key的hashCode值计算出在哈希表中的位置

• 如果该位置为空,则直接插入新的键值对

• 如果该位置不为空,则遍历该位置上的链表或树,查找是否已经存在对应的键值对

• 如果找到对应的键值对,则替换对应的value

• 如果没有找到对应的键值对,则将新的键值对插入到链表末尾

• 如果链表长度达到阈值(默认为8),则将链表转化为树

• 如果插入后HashMap的大小超过了阈值(默认容量的0.75),则扩容HashMap

• 插入完成后,执行一些必要的后续操作,例如更新修改次数等等

总的来说,HashMap的get方法和put方法都是基于哈希算法来实现键值对的查找和插入的,其中put方法需要考虑更多的情况,包括链表转换为树,扩容等等.

HashMap的容量为什么总是2的n次幂

在Java中,HashMap的容量总是2的n次幂的原因是为了提高HashMap的性能.

HashMap内部使用一个数组来存储键值对,当添加一个键值对时,HashMap会根据建的hashCode值计算出它在数组中的索引位置.如果数组长度不是2的n次幂,那么计算索引时就需要进行取模操作,这会影响HashMap的性能.

如果数组长度时2的n次幂,那么计算索引时可以使用位运算(&操作),这比取模操作更快.而且,HashMap的扩容操作也要求长度时2的n次幂,这样在扩容时可以简化计算,提高性能.

另外,长度为2的n次幂的数组大小还有一个优点是,它可以保证数组的不同位置发生哈希冲突的概率比较平均,这可以减少哈希冲突的发生,提高HashMap的效率.