引言
在平時需要用到鍵值對儲存資料時,我們便會用到
HashMap,這篇文章基於JDK1.8,參考前輩的文章,對HashMap進行一定的理解.
參考
HashMap之比於ArrayList和LinkedList,感覺原始碼複雜得多,由於才學疏淺,本文很大部分參考上面連結文章,因為註釋寫得很詳細,有幾個函式是照搬的,這裡感謝原作者，以後功力足夠,一定會寫一篇自己的理解。
結構
- 實現了
Map介面,對資料進行鍵值對操作 - 實現了
Cloneable介面,可被進行淺拷貝 - 實現了
Serializable介面,可被序列化
Node節點
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash; //hash值
final K key; //key
V value; //value
Node<K,V> next;//下一個節點
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }
//計算節點的hashCode 將key的hashCode值和value的hashCode值異或得到
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
//設定新的值,並返回舊的值
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
//equals方法,兩個節點的key和value都相同時返回true
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
複製程式碼可以看到Node中儲存了下一個節點的引用，是一個單連結串列結構.
建構函式
- 無參建構函式
//預設的初始容量為16 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 //預設的載入因子為0.75 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; public HashMap() { //無參建構函式 使用預設的建構函式 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted } 複製程式碼 - 帶初始化容量引數的建構函式
public HashMap(int initialCapacity) { //內部呼叫了另一個建構函式 this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } 複製程式碼 - 帶初始化容量容量和載入因子的建構函式
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0)//初始化容量不能小於0 throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)//初始化容量不得大於最大容量 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) //載入因子必須是不小於0的浮點數 throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; //設定閾值為 >= initialCapacity 的2的n次方形式的值 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); } static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; } 複製程式碼 - 帶
Map型別引數的建構函式public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; putMapEntries(m, false); } final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { int s = m.size(); //得到map的元素數量 if (s > 0) { //數量大於0 if (table == null) { // 如果表為空 float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; //根據數量計算出閾值 int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); if (t > threshold) //如果閾值大於當前閾值 則重新計算閾值 threshold = tableSizeFor(t); } else if (s > threshold) //如果當前元素表不是空的，但是s的元素數量大於閾值，說明一定要擴容。 resize(); //遍歷m依次加入 表中 for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) { K key = e.getKey(); V value = e.getValue(); putVal(hash(key), key, value, false, evict); } } } //resize()函式 比較重要的擴容函式 final Node<K,V>[] resize() { //oldTab 為當前表的雜湊桶 Node<K,V>[] oldTab = table; //當前雜湊桶的容量 length int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; //當前的閾值 int oldThr = threshold; //初始化新的容量和閾值為0 int newCap, newThr = 0; //如果當前容量大於0 if (oldCap > 0) { //如果當前容量已經到達上限 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { //則設定閾值是2的31次方-1 threshold = Integer.MAX_VALUE; //同時返回當前的雜湊桶，不再擴容 return oldTab; }//否則新的容量為舊的容量的兩倍。 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)//如果舊的容量大於等於預設初始容量16 //那麼新的閾值也等於舊的閾值的兩倍 newThr = oldThr << 1; // double threshold }//如果當前表是空的，但是有閾值。代表是初始化時指定了容量、閾值的情況 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr;//那麼新表的容量就等於舊的閾值 else {}//如果當前表是空的，而且也沒有閾值。代表是初始化時沒有任何容量/閾值引數的情況 // zero initial threshold signifies using defaults newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;//此時新表的容量為預設的容量 16 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);//新的閾值為預設容量16 * 預設載入因子0.75f = 12 } if (newThr == 0) {//如果新的閾值是0，對應的是 當前表是空的，但是有閾值的情況 float ft = (float)newCap * loadFactor;//根據新表容量 和 載入因子 求出新的閾值 //進行越界修復 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } //更新閾值 threshold = newThr; @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) //根據新的容量 構建新的雜湊桶 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; //更新雜湊桶引用 table = newTab; //如果以前的雜湊桶中有元素 //下面開始將當前雜湊桶中的所有節點轉移到新的雜湊桶中 if (oldTab != null) { //遍歷老的雜湊桶 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { //取出當前的節點 e Node<K,V> e; //如果當前桶中有元素,則將連結串列賦值給e if ((e = oldTab[j]) != null) { //將原雜湊桶置空以便GC oldTab[j] = null; //如果當前連結串列中就一個元素，（沒有發生雜湊碰撞） if (e.next == null) //直接將這個元素放置在新的雜湊桶裡。 //注意這裡取下標 是用 雜湊值 與 桶的長度-1 。 由於桶的長度是2的n次方，這麼做其實是等於 一個模運算。但是效率更高 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //如果發生過雜湊碰撞 ,而且是節點數超過8個，轉化成了紅黑樹（暫且不談 避免過於複雜， 後續專門研究一下紅黑樹） else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); //如果發生過雜湊碰撞，節點數小於8個。則要根據連結串列上每個節點的雜湊值，依次放入新雜湊桶對應下標位置。 else { // preserve order //因為擴容是容量翻倍，所以原連結串列上的每個節點，現在可能存放在原來的下標，即low位， 或者擴容後的下標，即high位。 high位= low位+原雜湊桶容量 //低位連結串列的頭結點、尾節點 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; //高位連結串列的頭節點、尾節點 Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next;//臨時節點 存放e的下一個節點 do { next = e.next; //這裡又是一個利用位運算 代替常規運算的高效點： 利用雜湊值 與 舊的容量，可以得到雜湊值去模後，是大於等於oldCap還是小於oldCap，等於0代表小於oldCap，應該存放在低位，否則存放在高位 if ((e.hash & oldCap) == 0) { //給頭尾節點指標賦值 if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; }//高位也是相同的邏輯 else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; }//迴圈直到連結串列結束 } while ((e = next) != null); //將低位連結串列存放在原index處， if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } //將高位連結串列存放在新index處 if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; } final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { //tab存放 當前的雜湊桶， p用作臨時連結串列節點 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //如果當前雜湊表是空的，代表是初始化 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //那麼直接去擴容雜湊表，並且將擴容後的雜湊桶長度賦值給n n = (tab = resize()).length; //如果當前index的節點是空的，表示沒有發生雜湊碰撞。 直接構建一個新節點Node，掛載在index處即可。 //這裡再囉嗦一下，index 是利用 雜湊值 & 雜湊桶的長度-1，替代模運算 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else {//否則 發生了雜湊衝突。 //e Node<K,V> e; K k; //如果雜湊值相等，key也相等，則是覆蓋value操作 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p;//將當前節點引用賦值給e else if (p instanceof TreeNode)//紅黑樹暫且不談 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else {//不是覆蓋操作，則插入一個普通連結串列節點 //遍歷連結串列 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) {//遍歷到尾部，追加新節點到尾部 p.next = newNode(hash, key, value, null); //如果追加節點後，連結串列數量》=8，則轉化為紅黑樹 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); break; } //如果找到了要覆蓋的節點 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } //如果e不是null，說明有需要覆蓋的節點， if (e != null) { // existing mapping for key //則覆蓋節點值，並返回原oldValue V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; //這是一個空實現的函式，用作LinkedHashMap重寫使用。 afterNodeAccess(e); return oldValue; } } //如果執行到了這裡，說明插入了一個新的節點，所以會修改modCount，以及返回null。 //修改modCount ++modCount; //更新size，並判斷是否需要擴容。 if (++size > threshold) resize(); //這是一個空實現的函式，用作LinkedHashMap重寫使用。 afterNodeInsertion(evict); return null; } // Create a regular (non-tree) node Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { return new Node<>(hash, key, value, next); } // Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { } void afterNodeInsertion(boolean evict) { } 複製程式碼
總結：
- 運算儘量都用位運算代替，更高效。
- 對於擴容導致需要新建陣列存放更多元素時，除了要將老陣列中的元素遷移過來，也記得將老陣列中的引用置null，以便GC
- 取下標 是用 雜湊值 與運算 （桶的長度-1）
i = (n - 1) & hash。 - 由於桶的長度是2的n次方，這麼做其實是等於 一個模運算。但是效率更高
- 擴容時，如果發生過雜湊碰撞，節點數小於8個。則要根據連結串列上每個節點的雜湊值，依次放入新雜湊桶對應下標位置。
- 因為擴容是容量翻倍，所以原連結串列上的每個節點，現在可能存放在原來的下標，即low位， 或者擴容後的下標，即high位。
high位=low位+原雜湊桶容量利用雜湊值與運算舊的容量，if ((e.hash & oldCap) == 0),可以得到雜湊值去模後，是大於等於oldCap還是小於oldCap，等於0代表小於oldCap，應該存放在低位，否則存放在高位。這裡又是一個利用位運算代替常規運算的高效點 如果追加節點後，連結串列數量>=8，則轉化為紅黑樹 - 插入節點操作時，有一些空實現的函式，用作
LinkedHashMap重寫使用。
增加元素(改動元素)
-
put(K key,V value)public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); } //攪動函式 static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } 複製程式碼key的hash值，並不僅僅只是key物件的hashCode()方法的返回值，還會經過擾動函式的擾動，以使hash值更加均衡。因為hashCode()是int型別，取值範圍是40多億，只要雜湊函式對映的比較均勻鬆散，碰撞機率是很小的。但就算原本的hashCode()取得很好，每個key的hashCode()不同，但是由於HashMap的雜湊桶的長度遠比hash取值範圍小，預設是16，所以當對hash值以桶的長度取餘，以找到存放該key的桶的下標時，由於取餘是通過與操作完成的，會忽略hash值的高位。因此只有hashCode()的低位參加運算，發生不同的hash值，但是得到的index相同的情況的機率會大大增加，這種情況稱之為hash碰撞。 即，碰撞率會增大。擾動函式就是為了解決hash碰撞的。它會綜合
hash值高位和低位的特徵，並存放在低位，因此在與運算時，相當於高低位一起參與了運算，以減少hash碰撞的概率。（在JDK8之前，擾動函式會擾動四次，JDK8簡化了這個操作）
刪除元素
remove(Object key)
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
// p 是待刪除節點的前置節點
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
//如果雜湊表不為空，則根據hash值算出的index下 有節點的話。
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
//node是待刪除節點
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
//如果連結串列頭的就是需要刪除的節點
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;//將待刪除節點引用賦給node
else if ((e = p.next) != null) {//否則迴圈遍歷 找到待刪除節點，賦值給node
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
//如果有待刪除節點node， 且 matchValue為false，或者值也相等
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)//如果node == p，說明是連結串列頭是待刪除節點
tab[index] = node.next;
else//否則待刪除節點在表中間
p.next = node.next;
++modCount;//修改modCount
--size;//修改size
afterNodeRemoval(node);//LinkedHashMap回撥函式
return node;
}
}
return null;
}
複製程式碼查詢元素
get()public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; } //傳入擾動後的雜湊值 和 key 找到目標節點Node final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; //查詢過程和刪除基本差不多， 找到返回節點，否則返回null if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; } 複製程式碼
判斷是否包含某value
containsValue(Object value)public boolean containsValue(Object value) { Node<K,V>[] tab; V v; //遍歷雜湊桶上的每一個連結串列 if ((tab = table) != null && size > 0) { for (int i = 0; i < tab.length; ++i) { for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) { //如果找到value一致的返回true if ((v = e.value) == value || (value != null && value.equals(v))) return true; } } } return false; } 複製程式碼
總結
HashMap採用陣列加連結串列的資料結構儲存資料.- 當元素的數量超過閾值，
HashMap擴容,擴容數量為2的n次方 - 允許
key為null,value為null - 執行緒不安全,如果需要併發工作使用
ConcurrentHashMap