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Java Collections Framework 源码分析(6.1 - HashMap 的哈希算法)

这应该是 Java Collections Framework 源码分析的最后一部分了，而分析对象也是目前为止最为复杂的数据结构：HashMap。在日常开发中 HashMap 的使用率非常高，应该和 ArrayList 不分上下，而且 HashMap 的相关问题是 Java 面试中必然出现的，因此能够从源码层面理解 HashMap 的相关知识点就变得尤为重要。希望接下来的几篇文章能够帮助你从数个核心知识点上真正掌握 HashMap 这个数据结构。

基础结构

大家可能已经知道 Java8 之后，HashMap 内部存放元素的数据结构发生了一些变化，不再单纯是以前数组+链表的方式，而是在满足某些条件后会变为红黑树的形式。所以让我们先从基础结构开始分析。

/**
 * The table, initialized on first use, and resized as
 * necessary. When allocated, length is always a power of two.
 * (We also tolerate length zero in some operations to allow
 * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
 */
transient Node<K,V>[] table;

可以看到 HashMap 内部使用一个数组来存放数据元素，而数组元素的类型是 Node。需要留意一下的是注释中提到数组的长度一定是 2 的幂。接着看一下 Node 的定义：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
....

很简单的数据包装对象，封装了 key 与 value 和相应的 hash 值，并且有指向下一个节点，类似单链表的结构。

put 操作

我们可以从 HashMap 最常用的 put 函数入手，先大致看一下 HashMap 是如何新增元素的。

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

实际的实现是 putVal 函数，继续往下看：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        ....
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

第一个 if 用来检查 table 是否被初始化，如果没有的话会调用 resize() 函数得到一个新的数组， resize() 函数我们稍后分析，先往下走。

第二个 if 的作用也很明显，通过 hash 值在数组中寻找是否有对应的 Node 对象，如果没有则创建一个新的 Node 。 newNode() 函数很简单，只是调用 Node 的构造函数，值得看一下的是 i 的计算逻辑。在理解 i 的计算逻辑就要先看一下 hash 的算法。

Hash 算法

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

可以看到 HashMap 中用到的哈希算法非常简单，调用 key 对象的 hashCode 函数，然后与自身逻辑位移(高位补 0) 16 位之后的值进行 XOR(异或)操作。之后还会有地方会谈及这个哈希算法，现在先回到之前 i 计算的那部分。

确定 table 中的位置

tab[i = (n - 1) & hash])

n 是 table 数组的长度，还记得之前提到过 table 数组长度是 2 的幂吗？因此 n 的二进制形式就是 1 开头，后面都是 0 (2 -> 10, 4 -> 100, 8 -> 1000)，而 n - 1 之后的二进制形式就都是 1 (3 -> 11, 7 -> 111)。了解了 n - 1 的数字特征后， n - 1 与 hash 进行 & (AND 操作) 的结果就容易了：如果 hash 大于 n - 1 ，那么会对 hash 截取超过 n -1 的部分，仅保留低位，反之直接返回 hash 值。

哈希冲突

现在可以继续分析 putVal 源码中的 else 部分：

else {
    Node<K,V> e; K k;
    if (p.hash == hash &&
        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
        e = p;
    else if (p instanceof TreeNode)
        e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
    else {
        for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
            if ((e = p.next) == null) {
                p.next = newNode(hash, key, value, null);
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                    treeifyBin(tab, hash);
                break;
            }
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                break;
            p = e;
        }
    }
    if (e != null) { // existing mapping for key
        V oldValue = e.value;
        if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
            e.value = value;
        afterNodeAccess(e);
        return oldValue;
    }
}

回忆一下进入 else 分支的条件，即 tab 数组对应 i 的 Node 已经存在。此时我们称之为发生了「哈希冲突」，即不同的 key 产生了相同的哈希值。

第一个 if 分支的逻辑很容易理解，如果数组对应位置上 Node 对象的 hash 值与 key 值都与传入参数一致，那么就是个简单的覆盖。

接下来的 else...if 分支则是判断当前 Node 是否为 TreeNode 的示例，在这个分支中执行的是红黑树的插入操作，这部分的分析会放在后面。

最后的 else 分支中会使用 for 与 Node 上的 next 引用循环链表，便利相同 hash 值的 Node 。其中值得注意的是：

if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                    treeifyBin(tab, hash);

当计数超过 TREEIFY_THRESHOLD - 1 时会调用 treeifyBin 函数，将原来数组 + 单链表的数据结构转化为红黑树，这个阈值的初始为 8。即当由冲突引起的单链表长度超过 8 之后会执行红黑树的转化。

小结

本篇为大家分析了 HashMap 内部的数据结构，以及 put（） 函数的答题流程，包括哈希算法，冲突的解决等。不难发现位操作往往是一些底层算法的基石，因此希望大家在平时还是花些时间掌握位操作的相关知识，最好能够活学活用。之后的文章会为大家分析数组扩容，以及红黑树的部分，希望你不要错过。

原文 https://segmentfault.com/a/1190000022495225

正文到此结束

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