JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)

glmapper_2018發表於2018-01-22

關於JAVA的集合框架近期也會逐漸同步跟新出來,歡迎小夥伴們多提意見

今天先為JAVA集合系列原始碼開一個頭,也嘗試著用不同的方式,不同的角度去閱讀原始碼,去學習原始碼中的一些思想。HashMap作為最常使用的集合之一;JDK1.7之前,有很大的爭議,一方面是資料量變大之後的查詢效率問題,還有就是執行緒安全問題。本文將從JDK1.7和1.8兩個不同版本的原始碼入手,去探尋一下HashMap是如何被優化的,以及執行緒安全問題的出現情況。

jdk1.7


HashMap在1.7中和1.6的主要區別:

  • 加入了jdk.map.althashing.threshold這個jdk的引數用來控制是否在擴容時使用String型別的新hash演算法。
  • 把1.6的構造方法中對錶的初始化挪到了put方法中。
  • 1.6中的tranfer方法對舊錶的節點進行置null操作(存在多執行緒問題),1.7中去掉了。

定義

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
        implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
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HashMap繼承自AbstractMap,實現了Map,Cloneable,和Serializable。既然實現了Serializable介面,也就是說可以實現序列化,在下面的成員變數介紹中可以看到,table[]使用了transient來修飾的,這個對於大多數集合框架中的類來說都有這種機制。查閱了相關資料和結合網上各路大神的解釋,這裡總結一下:

  • 減少不必要的空值序列化

    table 以及 elementData中儲存的資料的數量通常情況下是要小於陣列長度的(擴容機制),這個在資料越來越多的情況下更為明顯(資料變多,伴隨著衝突概率變大,同時也伴隨著擴容)。如果使用預設的序列化,那些沒有資料的位置也會被儲存,就會產生很多不必要的浪費。

  • 不同虛擬機器的相容問題

    由於不同的虛擬機器對於相同hashCode產生的Code值可能是不一樣的,如果使用預設的序列化,那麼反序列化後,元素的位置和之前的是保持一致的,可是由於hashCode的值不一樣了,那麼定位到的桶的下標就會不同,這很明顯不是我們想看到的

所在HashMap的序列化 並沒有使用預設的序列化方法,而採用自定義的序列化方法,通過重寫writeObject方法來完成。

成員變數

  • 預設初始容量16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
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  • 最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
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  • 預設負載因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
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  • 空表例項
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
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  • table,一個Entry陣列
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
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  • size,map中key-value的總數
 transient int size;
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  • 閾值,當map中key-value的總數達到這個值時,進行擴容
int threshold;
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  • 負載因子
final float loadFactor;
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  • 被修改的次數(fial-fast機制)
transient int modCount;
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  • alternative hashing(如果使用了String型別的一種新hash演算法)的預設閾值
static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;
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  • 控制是否重新hash,預設為0,後面會詳細說明
transient int hashSeed = 0;
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  • 內部類,VM啟動之後初始化
jdk.map.althashing.threshold
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JDK中的引數,預設-1,如果設定為1,則強制使用String型別的新hash演算法

private static class Holder {

        /**
         * Table capacity above which to switch to use alternative hashing.
         */
        static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD;

        static {
            String altThreshold = java.security.AccessController.doPrivileged(
                new sun.security.action.GetPropertyAction(
                    "jdk.map.althashing.threshold"));

            int threshold;
            try {
                threshold = (null != altThreshold)
                        ? Integer.parseInt(altThreshold)
                        : ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT;

                // disable alternative hashing if -1
                if (threshold == -1) {
                    threshold = Integer.MAX_VALUE;
                }

                if (threshold < 0) {
                    throw new IllegalArgumentException("value must be positive integer.");
                }
            } catch(IllegalArgumentException failed) {
                throw new Error("Illegal value for 'jdk.map.althashing.threshold'", failed);
            }

            ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD = threshold;
        }
    }
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內部結構

HashMap內部結構圖
從上圖可以看出,HashMap是基於陣列+連結串列的方式實現的。來看Entry這個內部類:

  • Entry,4個屬性(key,value,next節點,hash值)
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 (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^
                   (value==null ? 0 : value.hashCode());
        }

        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) {
        }
    }
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建構函式

  • 無參建構函式,預設初始容量16,負載因子0.75
public HashMap() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
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  • 一個引數建構函式,預設負載因子0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
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  • 兩個引數建構函式,設定容量和負載因子
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();
}
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  • init方法,模板方法,如果有子類需要擴充套件可以自行實現
void init() {
}
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主要方法

  • hash方法
final int hash(Object k) {
    int h = hashSeed;
    //預設0,如果不是0,並且key是String型別,才使用新的hash演算法(避免碰
    //撞的優化?)
    if (0 != h && k instanceof String) {
        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
    }
    h ^= k.hashCode();
    //把高位的值移到低位參與運算,使高位值的變化會影響到hash結果
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
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  • 根據hash值確定在table中的位置,length為2的倍數 HashMap的擴容是基於2的倍數來擴容的,從這裡可以看出,對於indexFor方法而言,其具體實現就是通過一個計算出來的code值和陣列長度-1做位運算,那麼對於2^N來說,長度減一轉換成二進位制之後就是全一(長度16,len-1=15,二進位制就是1111),所以這種設定的好處就是說,對於計算出來的code值得每一位都會影響到我們索引位置的確定,其目的就是為了能讓資料更好的雜湊到不同的桶中。
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);
}
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put方法

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {  
    //如果表沒有初始化,則以閾值threshold的容量初始化表
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)   
    //如果key值為null,呼叫putForNullKey方法,所以hashmap可以插入key和value為null的值
        return putForNullKey(value);
    //計算key的hash值
    int hash = hash(key); 
    //計算hash值對應表的位置,即表下標
    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))) {
        //如果hash值相等並且(key值相等或者key的equals方法相等),
        //則覆蓋,返回舊的value
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    //修改字數+1
    modCount++; 
    //如果沒找到key沒找到,則插入
    addEntry(hash, key, value, i);  
    return null;
}
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  • 初始化表方法,表容量必須是2的倍數(roundUpToPowerOf2)
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);
}
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  • 獲取大於或等於給定值的最小的2的倍數
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;
}
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  • highestOneBit:返回小於給定值的最大的2的倍數
public static int highestOneBit(int i) {
    // HD, Figure 3-1
    i |= (i >>  1); //其餘位不管,把最高位的1覆蓋到第二位,使前2位都是1
    i |= (i >>  2); //同樣的,把第3、4位置1,使前4位都是1
    i |= (i >>  4); //...
    i |= (i >>  8); //...
    i |= (i >> 16); //最高位以及低位都是1
    return i - (i >>> 1);   //返回最高位為1,其餘位全為0的值
}
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  • initHashSeedAsNeeded方法控制transfer擴容時是否重新hash
final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
        //hashSeed預設0,currentAltHashing為false
        boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;
        //參照上面的Holder類的靜態塊,jdk.map.althashing.threshold預設-1,Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD為Integer.MAX_VALUE,如果jdk.map.althashing.threshold設定了其他非負數,可以改變Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD的值,如果不超過Integer.MAX_VALUE,則useAltHashing為true
        boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
                (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
        boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
        if (switching) {    //改變hashSeed的值,使hashSeed!=0,rehash時String型別會使用新hash演算法
            hashSeed = useAltHashing
                ? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)
                : 0;
        }
        return switching;
    }
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  • HashMap把key為null的key-value鍵值對放入table[0]中
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;
    }
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  • 插入新的key-value鍵值對
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);   //如果鍵值對數量達到了閾值,則擴容
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;   //null的hash值為0
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }
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  • 頭插法,即把新的Entry插入到table[bucketIndex]的連結串列頭位置

    關於頭插法的解釋:一般情況下會預設後插入的資料被查詢的頻次會高一點。

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}
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get方法

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey(); //如果key為null,直接去table[0]中找
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();
}
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private V getForNullKey() {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null)
            return e.value;
    }
    return null;
}
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  • getEntry方法比較簡單,先找hash值在表中的位置,再迴圈連結串列查詢Entry,如果存在,返回Entry,否則返回null
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;
}
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  • remove方法
public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}
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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];    //前一個節點
    Entry<K,V> e = prev;    //當前節點

    while (e != null) {
        Entry<K,V> next = e.next;   //下一個節點
        Object k;
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
            modCount++;
            size--;
            if (prev == e)  //如果相等,說明需要刪除的是頭節點,頭節點直接等於next
                table[i] = next;
            else
                prev.next = next;   //如果不是頭節點,前一個的next等於下一個節點,刪除當前節點
            e.recordRemoval(this);
            return e;
        }
        prev = e;
        e = next;
    }

    return e;
}
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resize方法,擴容(重點)

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  //如果容量已經達到MAXIMUM_CAPACITY,不擴容
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }

    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    //initHashSeedAsNeeded方法決定是否重新計算String型別的hash值
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
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  • transfer方法,把舊錶的所有節點轉移到新表中
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            /**
              *重新計算hash值在新表中的位置(舊錶中一條連結串列中的資料
              *最多會分成兩條存在新表中,即oldTable[index]中的節點會存到
              *newTable[index]和newTable[index+oldTable.length]中)
              */
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
            //頭插法插入到新表中
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}
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jdk1.8


1.8的HashMap相比於1.7有了很多變化

  • Entry結構變成了Node結構,hash變數加上了final宣告,即不可以進行rehash了
  • 插入節點的方式從頭插法變成了尾插法
  • 引入了紅黑樹
  • tableSizeFor方法、hash演算法等等

定義

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
複製程式碼

成員變數

  • 預設初始容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
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  • 最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
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  • 預設負載因子 0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
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  • 連結串列轉紅黑樹的閾值 8
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
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  • 紅黑樹轉連結串列的閾值 6
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
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  • 連結串列轉紅黑樹所需要的最小表容量64,即當連結串列的長度達到轉紅黑樹的臨界值8的時候,如果表容量小於64,此時並不會把連結串列轉成紅黑樹,而會對錶進行擴容操作,減小連結串列的長度
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
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  • table,Node陣列
transient Node<K,V>[] table;
複製程式碼
/**
 * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
 * for keySet() and values().
 */
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
複製程式碼
  • 節點總數
transient int size;
複製程式碼
  • 修改次數
transient int modCount;
複製程式碼
  • 擴容閾值
int threshold;
複製程式碼
  • 負載因子
final float loadFactor;
複製程式碼

結構

  • Node結構,實現了Entry,hash值宣告為final,不再可變,即1.7中的rehash操作不存在了
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;
    }

    public final K getKey()        { return key; }
    public final V getValue()      { return value; }
    public final String toString() { return key + "=" + value; }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    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;
    }
}
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建構函式

public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
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public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
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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;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
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  • 引數為Map的構造方法,先計算需要的容量大小,然後呼叫putVal方法插入節點
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);
}
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final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        if (table == null) { // pre-size
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                     (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        else if (s > threshold)
            resize();
        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);
        }
    }
}
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  • tableSizeFor方法,給定初始化表容量值,返回表的實際初始化容量(必須是2的倍數),這個方法相比與1.7有了優化,更簡潔。
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;    //先進行-1操作,當cap已經是2的倍數時,最後+1,返回該數本身
    n |= n >>> 1;   //右移1位,再進行或操作,然後賦值給n,使最高位的1的下一位也變成1
    n |= n >>> 2;   //右移2位,使最高2位的1右移覆蓋後2位的值,即最高4位均為1
    n |= n >>> 4;   //右移4位...
    n |= n >>> 8;   //右移8位...
    n |= n >>> 16;  //右移16位...
    //如果cap<=0,返回1,如果>MAXIMUM_CAPACITY,返回MAXIMUM_CAPACITY,否則,最後的n+1操作返回大於等於cap的最小的2的倍數
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
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主要方法

  • hash演算法進行了簡化,直接把高16位移下來進行或運算
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
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put方法

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
複製程式碼
/**
 * Implements Map.put and related methods
 *
 * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @param value the value to put
 * onlyIfAbsent 如果是true,不存在才插入,存在則不改變原有的值
 * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
 * @param evict if false, the table is in creation mode.
 * @return previous value, or null if none
 */
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)
        //如果table為null或者length為0,呼叫resize擴容方法(沒有單獨的///初始化方法了)
        n = (tab = resize()).length;
        //i = (n - 1) & //hash]計算hash值對應表中的位置,如果連結串列頭為null,直接插入
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        //如果key存在,賦值給e,後面統一判斷是否插入
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //如果是樹節點,呼叫putTreeVal方法
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {//迴圈tab[i = (n - 1) & //hash]上的連結串列,binCount記錄連結串列的長度,用來判斷是否轉化為樹結//構
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {//如果key沒找到,直接插入
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // -1 for 1st,如果長度達到了8,就轉化為樹結構
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
      
        if (e != null) { 
        // key存在,如果onlyIfAbsent為false,替換value,如果onlyIfAbsen//t 為true,原有值為null,也會替換,否則不變更原有值
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e); //LinkedHashMap重寫使用
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount; //修改次數+1
    if (++size > threshold) //如果size達到了擴容的閾值,則進行擴容操作
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);  //LinkedHashMap重寫用的
    return null;
}
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get方法

public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
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  • getNode方法很簡單,(n - 1) & hash計算key值對應的table下標,找到連結串列,先判斷頭節點,然後迴圈查詢,如果頭節點是樹節點,呼叫樹節點的getTreeNode方法
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash && // 先判斷第一個節點
            ((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;
}
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remove方法

public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
        null : e.value;
}
複製程式碼
/**
 * Implements Map.remove and related methods
 *
 * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @param value the value to match if matchValue, else ignored
 * @param matchValue if true only remove if value is equal //如果是true,value也要相等
 * @param movable if false do not move other nodes while removing
 * @return the node, or null if none
 */
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {//找到對應的頭節點
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//先判斷頭節點
            node = p;
        else if ((e = p.next) != null) {
            if (p instanceof TreeNode)  //如果是樹,呼叫樹的getTreeNode方法
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            else {  //迴圈連結串列
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) { //matchValue為true時,value也要相等才刪除節點
            if (node instanceof TreeNode)   //樹節點的刪除
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            else if (node == p) //如果是頭節點,把頭節點的下個節點賦值給頭節點
                tab[index] = node.next;
            else    //把當前節點的next節點賦值給上一個節點的next(刪除當前節點)
                p.next = node.next;
            ++modCount;
            --size;
            afterNodeRemoval(node); //空方法,LinkedHashMap重寫用
            return node;
        }
    }
    return null;
}
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resize方法(擴容)

/**
 * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
 * accord with initial capacity target held in field threshold.
 * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
 * elements from each bin must either stay at same index, or move
 * with a power of two offset in the new table.
 *
 * @return the table
 */
final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {   //如果舊錶已經初始化過了
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {   //達到上限,不再擴容
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        //如果容量大於等於16,並且*2小於上限,擴容2倍,新表容量=舊錶*2,新閾值=舊閾值*2
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // 初始化表,有參建構函式中把需要初始化的容量賦值給了threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // 如果沒有給定容量,預設初始化16,閾值16*0.75=12
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    /**
      * 如果舊錶裡有值,需要把舊錶裡的值重新計算放到新表裡
      * hash & (oldCap*2-1)計算新表中的位置,只可能得到兩種結果(把新表分成兩個小表)
      * hash & (oldCap-1) 放在前面的表裡 和 hash & (oldCap-1) + oldCap 放在後面的表裡
      * hash & oldCap == 0 就是第一種結果, !=0 就是第二種結果
      */
    if (oldTab != null) {
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)  //頭節點是null,直接賦值
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode) //樹節點處理
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {    //迴圈連結串列
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) { //分配到前面表裡的放在一個連結串列裡
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {  //分配到後面表裡的放在一個連結串列裡
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    if (loTail != null) {   //放到新表裡
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}
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多執行緒安全問題

HashMap不是執行緒安全的

  • JDK1.7中,當兩個執行緒同時進行插入操作時,同時執行到createEntry方法時,獲取到了同一個頭節點e,第二個執行緒會覆蓋掉第一個執行緒的插入操作,使第一個執行緒插入的資料丟失。JDK1.8中的尾插法同樣會有這樣的問題,兩個執行緒獲取到相同的節點,然後把新鍵值對賦值給這個節點的next,後面的賦值操作覆蓋掉前面的。
  • JDK1.7和JDK1.8中對map進行擴容時,由於節點的next會變化,造成實際有key值,但是讀操作返回null的情況。
  • 1.7中,當兩個執行緒同時進行擴容操作時,可能會造成連結串列的死迴圈,形成過程:
  1. 現在有個map:
    JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)
  2. 執行緒1進行擴容操作,執行transfer方法,賦值完節點e和next之後阻塞了。
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
複製程式碼
  1. 執行緒2進行擴容操作並完成了擴容,建立了newTable2。
    JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)
  2. 此時,節點e和next的連線情況如上圖所示,執行緒1如果繼續執行,執行過程如下:
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
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JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)

e = next;
Entry<K,V> next = e.next;
複製程式碼

JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
```java
![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/1/20/1611330db7c085de?w=668&h=444&f=png&s=149071)
```java
e = next;
Entry<K,V> next = e.next;
複製程式碼

JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
複製程式碼

JAVA集合:HashMap深度解析(版本對比)

e = next;
複製程式碼
  1. 此時連結串列形成了死迴圈。
  • 1.8中的transfer方法有了變化,不會造成死迴圈。

總結

  • HashMap的結構,主要方法
  • 1.7和1.8的區別
  • 關於紅黑樹部分後面補充

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