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HashMap源码阅读与解析

[日期:2018-01-01] 来源:Linux社区  作者:cfyrwang [字体: ]

目录结构

  • 导入语
  • HashMap构造方法
  • put()方法解析
  • addEntry()方法解析
  • get()方法解析
  • remove()解析
  • HashMap如何进行遍历

一、导入语

HashMap是我们最常见也是最长使用的数据结构之一,它的功能强大、用处广泛。而且也是面试常见的考查知识点。常见问题可能有HashMap存储结构是什么样的?HashMap如何放入键值对、如何获取键值对应的值以及如何删除一个键值对。今天我们就来看看HashMap底层的实现原理。下面我们就开始进入正题,分析一下hashmap源码的实现原理。

二、HashMap构造方法以及存储结构

public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    init();
}

HashMap的构造方法有好几个,在这里我们就不一一介绍,只说一下我们最常见的HashMap无参构造方法。上面的构造方法中,有几个变量需要我们这里说明一下:

  1. loadFactor:加载因子,默认值为0.75;
  2. threshold:threshold是一个阈值,初始值为默认为16*0.75。当hashmap中存放键值对数量大于该值时,表示hashmap容量大小需要扩充,一般容量会翻倍。
  3. table:table其实是一个Entry类型的数组,在hashmap中我们利用数组和链表来解决hash冲突,这里的table数组用于存放冲突链表的头结点。

另外在HahsMap中,我们通过数组加链表的方式来存储Entry节点(Entry数据结构用于存储键值对)。这里所谓的数组即是上面提到的table,它是一个Entry数组,table对象中节点初始化值均为null,当我们新插入的节点第一次散列到该位置时,会将节点插入到table中对应位置。如果后续存在散列位置相同的节点,会以链表的方式解决hash冲突。示意图如下:

三、put()方法解析

put方法是我们最常用方法,我们利用该方法将键值对放入HashMap集合中,那么HashMap到底是什么样的结构,put()方法又做了什么呢?我们下面就来看看put()方法的具体实现。

public V put(K key, V value) {
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key.hashCode());
    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;
}

private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> 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;
}
if (key == null)
        return putForNullKey(value);

如果当前传入的key值为null,执行putForNullKey()方法;当key值为null时,hash值为0,将其保存到以table[0]为开头的链表中去。遍历链表,如果存在某节点的key值为null,则用新value直接将其替换。如果未找到key值为null的节点,调用addEntry()方法插入一个key为null的新节点。addEntry方法我们会在后文中介绍。

int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);

为什么这里还要对key的hashCode值再调用一次哈希算法呢?简单来说就是为了让传递进来的key散落位置可以更加均匀,具体原因就不在本文中介绍了,网上有很多资料可供借鉴。
接着调用indexFor方法计算当前key值散落在table中的位置,其实就是key%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;
    }
}

遍历以table[i]为头结点的链表,查找是否已经有相同的key值的节点存在于链表中。判断条件为if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))。这个判断条件十分重要,我们来仔细分析下。首先是e.hash == hash:之前我们已经计算出了当前待处理节点的hash值,并保存在变量hash中,在此我们需要比较当前链表遍历节点key的hash值(e.hash)和hash是否相等。如果我们去看一下addEntry()方法我们会发现,Entry节点的存储位置实际上是由key的hash值来决定的。如果key的hash相同,那么他们的存储位置也相同。(k = e.key) == key || key.equals(k))。先简单的说一下”==”和”equals”的意义,”==”是引用一致性判断,而equals是内容一致性判断。这里的意思也就是说如果两个key对象指向的是同一个对象,或者他们就是同一个对象,则返回true。总结一下,如果hash值相同,则key值相同或是同一个对象的引用,则表示hashmap中存在以key为键值的Entry节点。
如果判断if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))判断条件返回为true,则用新值替换老值。

如果没有找到相同的key值,则调用addEntry()方法新增一个指定key和value的Entry节点。

四、addEntry()方法解析

voidaddEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    if (size++ >= threshold)
        resize(2 * table.length);
}

接下来继续看addEntry()方法,假设当前节点为插入到table[bucketIndex]位置的第一个节点

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

在Entry类的构造方法中有这样一句代码:

next = e;

即当前新建的entry节点将指向Entry构造方法传递过来的Entry节点e,此时e保存的值为头结点的值,也就是null。该节点创建完之后,又被赋值给table[bucketIndex],相当于链表的头结点了保存了最新插入的节点。如下图所示我们在table[i]位置插入了Entry

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
  1. 此时table[buckertIndex]中存放的节点为
  2. 新建一个Entry节点,key=”key2”,value=”value2”,同时该entry节点next值指向

另外在addEntry方法中有如下两句代码

if (size++ >= threshold)
   resize(2 * table.length);

size的值为当前hashMap中存储的节点个数,threshold是一个阈值。如果hashMap中存储的节点个数大于等于threshold,表示我们需要对当前hashMap进行扩容了。每一次扩充容量为之前容量的2倍。我们来看一下resize()方法。

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);
    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

void transfer(Entry[] newTable) {
    Entry[] src = table;
    int newCapacity = newTable.length;
    for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        Entry<K,V> e = src[j];
        if (e != null) {
            src[j] = null;
            do {
                Entry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}

关键代码是这一段

Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable);
table = newTable;

如果resize()之前Entry数组的大小为A,那么newTable数组的大小为2A
transfer(newTable)方法用于将原先entry[]数组中的节点转移到newTable数组中,下面我们来看下transfer()方法具体干了什么。

  1. 将原来的table数组赋值给src数组
  2. 获取newTable数组的长度,这里为table数组长度的2倍
  3. 循环遍历src数组,执行下面的操作

a. 取src[j]节点的值赋值给e

b. 如果e节点不为null,将src[j]的值置为null

我们来举两个简单的例子说明一下tranfer到底干了什么:
当src[j]不为空时,比方说src[j]中保存的Entry节点key=”key2”,value=”value2”,src[j]指向的下一个节点key=”key1”,value=”value1”,如下图所示:

  1. 最开始的时候newTable[]中并没有存放任何Entry节点,只是单纯的进行了初始化。结合上面代码,我们可以看到此时e = entry2节点,next节点值为entry1
  2. 利用indexFor重新计算出e节点的散列位置。e节点的next指向被初始化后的newTable[i]节点,同时newTabel[i]的值也被赋值为e节点
  3. 最后执行e = next;此时e等于entry1
    形成节点的示意图如下:

    接着执行
  4. next = e.next,此时e的next节点为null,next =null;
  5. 利用indexFor计算出新的散列位置,比如说新的散列位置为j,此时以newTable[j]为头节点的链表中已经存在了两个节点。如下图所示:

    我们将待处理的节点entry节点插入后会变成什么样呢?

    简单的来说resize方法就是去逐个遍历table[i]后面的Entry节点链表,利用indexFor方法重新结算节点的散落位置,并将其插入到以newTable[]为头结点的链表中去。

五、get()方法解析

说完了put我们再来看一下get方法

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    int hash = hash(key.hashCode());
    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.equals(k)))
            return e.value;
    }
    return null;
}

private V getForNullKey() {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null)
            return e.value;
    }
    return null;
}

理解了put方法时如何往hashmap中放入键值对的,那么get()方法也就很好理解了。我们来具体看看get()方法的实现。

  1. 如果key值为null,执行getForNullKey()方法。当key值为null时,新的键值对会放到table[0]处,所以我们先去遍历table[0]位置的节点链表,查看是否有key值为null的节点。如果有的话,直接返回value。如果找不到key为null的节点,返回null。
  2. 如果key值不为null,利用indexFor方法找到当前key所处的table[i]位置,遍历table[i]位置的节点链表。根据e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))来判断是否有相同key值的节点。如果当前位置链表中存在key值相同的Entry节点,返回Entry节点保存的value。如果找不到key值匹配的Entry节点,返回null。

六、remove()方法解析

public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
    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;
}

别看remove方法这么长,其实它的逻辑很简单

  1. 通过hash()和IndexFor()方法找到当前Entry节点的散列位置i,prev节点为当前节点的上一个节点(初始值为table[i]节点),e节点表示当前节点。
  2. 比较待删除节点的key值和当前节点的key值是否相符。如果找不到相符的节点,返回null;
    如果有相符的节点,且为头结点,e节点的下一个节点将被赋值给table[i];
    如果有相匹配的节点,并且不为头结点,则prev节点不再指向e,而是指向e.next,也即是prev.next = e.next;相当于一个断链操作;

七、HashMap遍历

如果让你写一个hashmap的遍历代码,估计大部分人写出下面这段代码。可是HashMap的遍历过程到底是怎么样的,为什么我们每次取值的时候都使用iter.next()来取值的呢?下面我们就来看看HashMap的遍历实现。

    Itreator iter = map.entrySet().itreator();
    while(iter.hashNext()){
    Map.entry<k,v> entry = (Map.entry<k,v>) iter.next();
}

HashMap类中有一个私有类EntrySet,它继承自AbstractSet类。EntrySet类中有一个iterator()方法,也就是我们上面在遍历hashMap所调用的iterator()方法,它会返回一个Iterator对象。
我们来看看iterator方法:

public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
    return newEntryIterator();
}

iterator()方法中调用了newEntryIterator()方法,接着进入newEntryIterator()方法看看。

    Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
    return new EntryIterator();
}

newEntryIterator方法又创建了一个EntryIterator对象并返回。这个EntryIterator很关键,我们来具体看看这个类。

private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
    public Map.Entry<K,V> next() {
        return nextEntry();
    }
}

EntryIterator类继承自HashItertor类,而且HashIterator类只有一个方法next()。既然EntryIterator继承自HashIterator类,那么EntryIterator到底继承了父类的哪些对象,默认实现了父类的哪些方法呢?我们再看看HashIterator类。

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
    Entry<K,V> current; // current entry

    HashIterator() {
        expectedModCount = modCount;
        if (size > 0) { // advance to first entry
            Entry[] t = table;
            while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                ;
        }
    }
}

HashIterator类中有四个属性,它们的用处代码注释已经简单明了的介绍了。值得注意的是HashIterator()提供了一个无参的构造方法,然而他并没有对所有的属性进行初始化,在这里我们需要明确的是index的值将会被赋为0。同时后面还有一大段,它干了什么呢?

  1. 首先是Entry[] t = table;将当前存储头结点的Entry[]数组table赋值给t;
  2. 接着执行一个while循环

       while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)

    当index大于table的长度,或者当前t[index]位置保存的节点不为空时,将会结束while循环。也就是说该循环目的是为了找出table[]数组中第一个存储了Entry对象的位置,并用index变量记录该位置。
    我们再总结一下!当Itreator iter = map.entrySet().itreator();这句代码结束之后,我们获得了一个Iterator对象,这个对象保存了当前hashMap的modCount值,index用于标识table[]数组中第一个不为null的位置,同时next的初始值也等同于table[index]的值。

while(iter.hashNext())

当前对象实际上为HashIterator对象,HashIterator对象的hasNext()方法十分的简单

publicfinalbooleanhasNext() {
    return next != null;
}
Map.entry<k,v> entry = (Map.entry<k,v>) iter.next();

再梳理一下逻辑,EntryIterator 有一个方法next

public Map.Entry<K,V> next() {
    return nextEntry();
}

final Entry<K,V> nextEntry() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    Entry<K,V> e = next;
    if (e == null)
        throw new NoSuchElementException();

    if ((next = e.next) == null) {
        Entry[] t = table;
        while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
            ;
    }
    current = e;
    return e;
}

如果modCount值不等于expectedModCount,表示在当前遍历过程中,HashMap可能被其他线程修改过,我们需要抛出ConcurrentModificationException异常,这也就是我们常说fast-fail。同时新建一个Entry节点e,赋值为next(第一次进来是next指向的就是table[]数组中第一个不为null的头结点)。
如果说当前节点的下一个节点为null,相当于遍历到了当前table[i]所指向链表的最后一个节点。此时我们应当去寻找table数组中下一个头结点不为null的位置。
执行while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) 找到下一个不为null的头结点,并保存到next节点中。
返回当前节点e

到此为止,我们已经大致的介绍了HashMap数据结构put(),get(),remove()以及遍历的实现,如果错误之处,欢迎指出,共同进步!

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