HashMap漫谈(1)
HashMap原理解析–JDK1.7
今天无意间看Spring Core的源码，里面有一个HashSet，手一滑点进了源码查看，发现HashSet是用HashMap实现的。瞬间想到了当时准备面试时的场景。背了那么多Java Collection的概念，竟然都没有仔细看过任何一个类的源码。今天索性就从HashMap开刀仔细看看这些基本数据结构的实现。
从jdk1.7到1.8，HashMap的数据组织结构经历了比较彻底的转变，这篇文章主要介绍JDK1.7的实现
基本数据结构
在JDK1.7中，HashMap的基本构成是通过邻接表的方式实现的，大致结构如下图所示
我们来看一下其中的数据结构
Entry
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
int hash;
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
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;
}
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) {
}
}
这个Entry<K,V>实现了Map.Entry这个内部接口，这个类中有下面几个方法
interface Entry<K,V> {
K getKey();
V getValue();
V setValue(V value);
boolean equals(Object o);
int hashCode();
}
相比与这个接口，HashMap中的Entry主要是添加了Entry next使其具有了链表的特性，接着我们看一些关键的方法。
构造方法
一般我们使用如下方法创建HashMap
Map<String, String> map = new HashMap();
我们直接看HashMap()构造方法
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
其中的两个常量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=1 << 4;（16）DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75这个常量的含义我们在后面详细说明。
这个构造方法调用了同名的构造方法
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();
}
put(key, value)
1、如果bucket数组为空，调用inflateTable方法完成初始化； 2、判断待插入key是否为null： key == null成立，调用putForNullKey方法完成数据插入，由此可以看出，HashMap的key是可以为null的； key == null不成立，跳转到步骤3； 3、计算带插入key的hashCode； 4、根据hashCode按位与计算出所在bucket数组中的位置i； 5、遍历挂在bucket中位置i下的Entry链表，如果当前key已存在，更新它所对应的oldValue为value，并返回oldValue，否则，跳转到步骤6； 6、将key-value插入对应bucket中位置i下的Entry链表中，返回null。
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<K,V> 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;
}
我们可以看到，在这个方法中，首先会初始化邻接表的各个Hash桶，通过调用tableinflateTable(threshold)方法
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);
}
其中主要的步骤如下:
- roundUpToPowerOf2(toSize) — 获取大于等于toSize的2的幂次方的最小整数
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;
}
- 初始化Entry数组table
- initHashSeedAsNeeded — 初始化hash的seed，每次capacity(如调用resize方法)改变时触发
final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;
boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
if (switching) {
hashSeed = useAltHashing
? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)
: 0;
}
return switching;
}
回到put方法，随后将key做hash，然后根据这个hash值找到具体的table的索引值
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);
}
对于jdk，用了一个很巧的方法完成了取余的操作。值得学习（^v^）。
当找到所在的Entry数组的下标后，会遍历这个由这个下标所在的Entry为头的链表，在这个链表下链接的都是hash完之后值相同的key，在遍历这个链表时，如果key是相同的，那么直接替换掉这个key对应的value，将原先的value返回。如果没有，则会创建新的Entry,然后头插入这个链表。那么我们就来看看添加新Entry的过程：
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);
}
这个方法中有一个比较重要的判断条件，就是是否需要扩容，如果当前的size已经达到阈值并且这个表格最后一个下标已经没有空的链表位置，那么就需要扩容，这里的扩容大小为原来大小的两倍，resize函数中其实和我们最早大学学习数据结构时教材上的执行没有两样，代码如下，总体思路如下：创建一个两倍大小的table，并将原来的table放在了新的table中，同时设置一些属性信息，对于其中有一个loadFactor，这里的目的是为了能够尽可能减少冲突的概率，增加查找效率，随后通过initHashSeedAsNeeded重新设置hashseed,最后创建新的Entry。
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
这里面有一个特殊的case，就是key为null的情况，这样的情况会直接连接到Entry[0]的链表中，通过插入的逻辑可以知道只能插入一个key为空的value，如果多个，只有最后一个有效。
get(key)
我们来看get方法，直观来想，是put方法的逆过程，即：
1、拿到key的hash值 2、找到这个hash对应的Entry 3、遍历这个Entry为头对应的链表，直到找到对应的元素 4、如果没找到，返回null
具体的代码如下：
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
我们看基本和我们上面的预期基本相同，这里面有个getEntry方法，其思路就是根据key的hash找下标遍历链表的过程，代码如下，具体的和put方法类似，这里不再赘述。
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(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;
}
还有一个方法，containsKey也是基于get方法实现，有兴趣的大家可以自行看代码。
remove
这个方法也和get，put方法类似，不同的就是删除Entry的时候，这个就是链表中删除特定节点的操作，具体代码如下：
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
modCount++;
size--;
if (prev == e)
table[i] = next;
else
prev.next = next;
e.recordRemoval(this);
return e;
}
prev = e;
e = next;
}
return e;
}
HashMap迭代
最后，我们就要看Map的遍历了,常见的Map遍历有如下几种
1、获取keySet，迭代key获取value 2、获取entrySet，直接迭代，获取key和value
我们简单看一下其实现：
- KeySet
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
}
private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public Iterator<K> iterator() {
return newKeyIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsKey(o);
}
public boolean remove(Object o) {
return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
- entrySet
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
return entrySet0();
}
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
public boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
return candidate != null && candidate.equals(e);
}
public boolean remove(Object o) {
return removeMapping(o) != null;
}
public int size() {
return size;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
这里面都是用了一个相同的实现机制，就是通过内部类调用该内部类所在的外部对象，这样实现的目的是为了，当外部对象发生变化时，这个内部类对象会发生变化，同时，内部类对象改变时也会改变外部对象的结果，而如果使用副本时，外部对象的修改对内部类对象没有影响，返回的值不确定。
这就是JDK1.7中HashMap的实现，下篇文章中，我将介绍JDK1.8中的相关变更。
赏
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正文到此结束
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