JAVA HashMap源碼淺析

xuxueli 發布于2019-08-14 12:20 / 2990人閱讀

摘要：類的屬性和構造函數二的初始化構造方法這是的構造函數之一，其他構造函數都引用這個構造函數進行初始化。在構造函數中不會對數組進行初始化，只有在等操作方法內會進行判斷是否要初始化或擴容。其作用是保證的效率。

引言

HashMap在鍵值對存儲中被經常使用，那么它到底是如何實現鍵值存儲的呢？

一 Entry

Entry是Map接口中的一個內部接口，它是實現鍵值對存儲關鍵。在HashMap中，有Entry的實現類，叫做Entry。Entry類很簡單，里面包含key，value，由外部引入的hash，還有指向下一個Entry對象的引用，和數據結構中學的鏈表中的note節點很類似。

Entry類的屬性和構造函數:

final K key;
V value;
Entry next;
int hash;
 
/**
 * Creates new entry.
 */
Entry(int h, K k, V v, Entry n) {
    value = v;
    next = n;
    key = k;
    hash = h;
}

二 HashMap的初始化

//HashMap構造方法
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();
}

這是HashMap的構造函數之一，其他構造函數都引用這個構造函數進行初始化。參數InitialCapacity指的是HashMap中table數組最初的大小，參數loadFactory指的是HashMap可容納鍵值對與數組長度的比值（舉個例子：數組長度默認值為16，loadFactory默認值為0.75，如果HashMap中存儲的鍵值對即Entry多于12，則會進行擴容，擴容后大小為當前數組長度的2倍）。在構造函數中不會對數組進行初始化，只有在put等操作方法內會進行判斷是否要初始化或擴容。

三 table數組

在HashMap中有一個概念叫做threshold(實際可容納量)，實際可容納量指的是在HashMap中允許存在最多的Entry的個數，它是由HashMap中內置的數組table的長度*load factory(負載因子)得來。其作用是保證HashMap的效率。
table數組是HashMap實現鍵值對存儲的又一關鍵，具體鍵值對是怎么存的呢？請看下圖

如圖中的[key，value]就是Entry對象來實現的，而table數組是用來存放Entry對象的。

//數組的初始化：
private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
    return number >= MAXIMUM_CAPACITY
            ? MAXIMUM_CAPACITY
            : (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
}
 
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);
}

在put等方法中發現數組未進行初始化時會調用InflateTable方法進行初始化，輸入參數為初始設置的InitialCapacity，實際上他會調用roundUpToPowerOf2方法返回一個比初始容量大的最小的2的冪數（其中一個原因是在得到Entry所在數組位置時方便）。

四 put方法

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
 
    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}
 
private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}
 
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    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 e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

在put方法中

首先會判斷數組是否為空，如果為空會對數組進行初始化。

接下來判斷key是否為null，如果為null就采用第二個方法對鍵值對進行put。

接下來對key進行hash得到一個數值，再對這個數值進行處理（IndexFor方法）得到所在數組中的位置。

接下來會遍歷所在數組位置的鏈表，如果key的hash和傳入key的hash相同且（key內存地址相等或 equals方法相等），則意味著會更新在鏈表中的value值，并返回舊的value值。

如果上邊的方法都沒有奏效，則會調用第三個方法，創建一個新的Entry對象。

在putForNullKey方法中，我們看到它是為了NULL值專門設置的，NULL值的hash始終為0，所以key為NULL的Entry對象肯定在數組的第0個位置。同樣，如果找到則更新，沒有找到則添加。

調用addEntry方法意味著要往這個數組鏈表中添加一個Entry，所以會在最開始判斷已經存在的Entry數量是否超過了實際可容納量。如果超過了，則會調用resize方法將數組擴大兩倍，注意在擴大之后會對已經存入的Entry進行重排，原因是當初存入時IndexFor方法與數組長度有關系。接著會調用第四個方法。

createEntry方法很簡單，就是將原本在數組中存放的鏈表頭置入到新的Entry之后，將新的Entry放入數組中。從這里我們可以看出HashMap不保證順序問題。

get方法和contains方法原理和put方法一致，即先通過對key的hash得到其value值所在的鏈表頭在數組中的位置，再通過equals方法判斷value是否存在。

五其他

//hash方法
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).
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

hash方法中最終返回值與key的hashCode方法有關。

總結

最終數組初始化的容量大小會是大于等于你傳入初始容量的最小2的冪數。

key為null或value為null能存入HashMap的原因是對null值會進行多帶帶的操作。

在table數組中的鏈表中每個Entry的共同點是key的hash(key.hashCode)部分相同。

注意對key的hashCode和equals方法的重寫當你想讓兩個key映射一個對象，因為判定key相等的條件是（hashCode相等+（內存相等或 equals相等））。

最早存入的鍵值對會在鏈表的末端。

當數組沒有鏈表存在時，HashMap性能最好為O(1)。而最差為O(threshould)。