以下針對JDK 1.8版本中的HashMap進行分析。
概述
雜湊表基於Map介面的實現。此實現提供了所有可選的對映操作，並且允許鍵為null，值也為null。HashMap 除了不支援同步操作以及支援null的鍵值外，其功能大致等同於 Hashtable。這個類不保證元素的順序，並且也不保證隨著時間的推移，元素的順序不會改變。
假設雜湊函式使得元素在雜湊桶中分佈均勻，那麼這個實現對於 put 和 get 等操作提供了常數時間的效能。
對於一個 HashMap 的例項，有兩個因子影響著其效能：初始容量和負載因子。容量就是雜湊表中雜湊桶的個數，初始容量就是雜湊表被初次建立時的容量大小。負載因子是在進行自動擴容之前衡量雜湊表儲存鍵值對的一個指標。當雜湊表中的鍵值對超過capacity * loadfactor時，就會進行 resize 的操作。
作為一般規則，預設負載因子（0.75）在時間和空間成本之間提供了良好的折衷。負載因子越大，空間開銷越小，但是查詢的開銷變大了。
注意，迭代器的快速失敗行為不能得到保證，一般來說，存在非同步的併發修改時，不可能作出任何堅決的保證。快速失敗迭代器盡最大努力丟擲ConcurrentModificationException異常。因此，編寫依賴於此異常的程式的做法是錯誤的，正確做法是：迭代器的快速失敗行為應該僅用於檢測程式錯誤。
原始碼分析
主要欄位
/**
* 初始容量大小 —— 必須是2的冪次方
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
* 最大容量
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* 預設負載因子
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 當連結串列長度超過這個值時轉換為紅黑樹
*/
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
/**
* 樹形閾值，當小於這個值時，紅黑樹轉換為連結串列
*/
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/**
* The smallest table capacity for which bins may be treeified.
* (Otherwise the table is resized if too many nodes in a bin.)
* Should be at least 4 * TREEIFY_THRESHOLD to avoid conflicts
* between resizing and treeification thresholds.
*/
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
/**
* table 在第一次使用時進行初始化並在需要的時候重新調整自身大小。對於 table 的大小必須是2的冪次方。
*/
transient Node<K,V>[] table;
/**
* Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
* for keySet() and values().
*/
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
/**
* 鍵值對的個數
*/
transient int size;
/**
* HashMap 進行結構性調整的次數。結構性調整指的是增加或者刪除鍵值對等操作，注意對於更新某個鍵的值不是結構特性調整。
*/
transient int modCount;
/**
* 所能容納的 key-value 對的極限（表的大小 capacity * load factor），達到這個容量時進行擴容操作。
*/
int threshold;
/**
* 負載因子，預設值為 0.75
*/
final float loadFactor;
複製程式碼從上面我們可以得知，HashMap中指定的雜湊桶陣列table.length必須是2的冪次方，這與常規性的把雜湊桶陣列設計為素數不一樣。指定為2的冪次方主要是在兩方面做優化：
- 擴容：擴容的時候，雜湊桶擴大為當前的兩倍，因此只需要進行左移操作
- 取模：由於雜湊桶的個數為2的冪次，因此可以用**&**操作來替代耗時的模運算，
n % table.length -> n & (table.length - 1)
雜湊函式
/**
* 雜湊函式
*/
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
複製程式碼 key 的雜湊值通過它自身hashCode的高十六位與低十六位進行亦或得到。這麼做得原因是因為，由於雜湊表的大小固定為 2 的冪次方，那麼某個 key 的 hashCode 值大於 table.length，其高位就不會參與到 hash 的計算（對於某個 key 其所在的桶的位置的計算為 hash & (table.length - 1)）。因此通過hashCode()的高16位異或低16位實現的：(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)，主要是從速度、功效、質量來考慮的，保證了高位 Bits 也能參與到 Hash 的計算。
tableSizeFor函式
/**
* 返回大於等於capacity的最小2的整數次冪
*/
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;
}
複製程式碼根據註釋可以知道，這個函式返回大於或等於cap的最小二的整數次冪的值。比如對於3，返回4；對於10，返回16。詳解如下： 假設對於n（32位數）其二進位制為 01xx...xx， n >>> 1，進行無符號右移一位， 001xx..xx，位或得 011xx..xx n >>> 2，進行無符號右移兩位， 00011xx..xx，位或得 01111xx..xx 依此類推，無符號右移四位再進行位或將得到8個1，無符號右移八位再進行位或將得到16個1，無符號右移十六位再進行位或將得到32個1。根據這個我們可以知道進行這麼多次無符號右移及位或操作，那麼可讓數n的二進位制位最高位為1的後面的二進位制位全部變成1。此時進行 +1 操作，即可得到最小二的整數次冪的值。（《高效程式的奧祕》第3章——2的冪界方 有對此進行進一步討論，可自行檢視） 回到上面的程式，之所以在開頭先進行一次 -1 操作，是為了防止傳入的cap本身就是二的冪次方，此時得到的就是下一個二的冪次方了，比如傳入4，那麼在不進行 -1 的情況下，將得到8。
建構函式
/**
* 傳入指定的初始容量和負載因子
*/
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;
//返回2的冪次方
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
複製程式碼 對於上面的構造器，我們需要注意的是this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);這邊的 threshold 為 2的冪次方，而不是capacity * load factor，當然此處並非是錯誤，因為此時 table 並沒有真正的被初始化，初始化動作被延遲到了putVal()當中，所以 threshold 會被重新計算。
/**
* 根據指定的容量以及預設負載因子（0.75）初始化一個空的 HashMap 例項
*
* 如果 initCapacity是負數，那麼將丟擲 IllegalArgumentException
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 根據預設的容量和負載因子初始化一個空的 HashMap 例項
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/**
* Constructs a new <tt>HashMap</tt> with the same mappings as the
* specified <tt>Map</tt>. The <tt>HashMap</tt> is created with
* default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to
* hold the mappings in the specified <tt>Map</tt>.
*
* @param m the map whose mappings are to be placed in this map
* @throws NullPointerException if the specified map is null
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
複製程式碼查詢
/**
* 返回指定 key 所對應的 value 值，當不存在指定的 key 時，返回 null。
*
* 當返回 null 的時候並不表明雜湊表中不存在這種關係的對映，有可能對於指定的 key，其對應的值就是 null。
* 因此可以通過 containsKey 來區分這兩種情況。
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/**
* 1.首先通過 key 的雜湊值找到其所在的雜湊桶
* 2.對於 key 所在的雜湊桶只有一個元素，此時就是 key 對應的節點，
* 3.對於 key 所在的雜湊桶超過一個節點，此時分兩種情況：
* 如果這是一個 TreeNode，表明通過紅黑樹儲存，在紅黑樹中查詢
* 如果不是一個 TreeNode，表明通過連結串列儲存（鏈地址法），在連結串列中查詢
* 4.查詢不到相應的 key，返回 null
*/
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 && // 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;
}
複製程式碼儲存
/**
* 在對映中，將指定的鍵與指定的值相關聯。如果對映關係之前已經有指定的鍵，那麼舊值就會被替換
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**
* * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
*
* 1.判斷雜湊表 table 是否為空，是的話進行擴容操作
* 2.根據鍵 key 計算得到的 雜湊桶陣列索引，如果 table[i] 為空，那麼直接新建節點
* 3.判斷 table[i] 的首個元素是否等於 key，如果是的話就更新舊的 value 值
* 4.判斷 table[i] 是否為 TreeNode，是的話即為紅黑樹，直接在樹中進行插入
* 5.遍歷 table[i]，遍歷過程發現 key 已經存在，更新舊的 value 值，否則進行插入操作，插入後發現連結串列長度大於8，則將連結串列轉換為紅黑樹
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//雜湊表 table 為空，進行擴容操作
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// tab[i] 為空，直接新建節點
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//tab[i] 首個元素即為 key，更新舊值
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//當前節點為 TreeNode，在紅黑樹中進行插入
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//遍歷 tab[i]，key 已經存在，更新舊的 value 值，否則進心插入操作，插入後連結串列長度大於8，將連結串列轉換為紅黑樹
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//連結串列長度大於8
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// key 已經存在
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//key 已經存在，更新舊值
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//HashMap插入元素表明進行了結構性調整
++modCount;
//實際鍵值對數量超過 threshold，進行擴容操作
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
複製程式碼擴容
/**
* 初始化或者對雜湊表進行擴容操作。如果當前雜湊表為空，則根據欄位閾值中的初始容量進行分配。
* 否則，因為我們擴容兩倍，那麼對於桶中的元素要麼在原位置，要麼在原位置再移動2次冪的位置。
*/
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) {
//超過最大容量，不再進行擴容
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//容量沒有超過最大值，容量變為原來兩倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
//閾值變為原來兩倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//呼叫了HashMap的帶參構造器，初始容量用threshold替換，
//在帶參構造器中，threshold的值為 tableSizeFor() 的返回值，也就是2的冪次方，而不是 capacity * load factor
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//初次初始化，容量和閾值使用預設值
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
//計算新的閾值
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
//以下為擴容過程的重點
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//將原雜湊桶置空，以便GC
oldTab[j] = null;
//當前節點不是以連結串列形式存在，直接計算其應放置的新位置
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//當前節點是TreeNode
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
//節點以連結串列形式儲存
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//原索引 + oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
複製程式碼因為雜湊表使用2次冪的擴充（指長度擴充為原來的2倍），所以在擴容的時候，元素的位置要麼在原位置，要麼在原位置再移動2次冪的位置。為什麼是這麼一個規律呢？我們假設 n 為 table 的長度，圖（a）表示擴容前的key1和key2兩種key確定索引位置的示例，圖（b）表示擴容後key1和key2兩種key確定索引位置的示例，其中hash1是key1對應的雜湊與高位運算結果。
刪除
/**
* 刪除指定的 key 的對映關係
*/
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
/**Java
*
* 1.根據 key 的雜湊值在雜湊桶中查詢是否存在這個包含有這個 key 的節點
* 連結串列頭節點是要查詢的節點
* 節點是TreeNode，在紅黑樹中查詢
* 在連結串列中進行查詢
* 2.如果查詢到對應的節點，進行刪除操作
* 從紅黑樹中刪除
* 將連結串列頭節點刪除
* 在連結串列中刪除
*
* @param hash key 的 hash 值
* @param key 指定的 key
* @param value 當 matchhValue 為真時，則要匹配這個 value
* @param matchValue 為真並且與 value 相等時進行刪除
* @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) {
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
//連結串列頭即為要刪除的節點
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
//節點為TreeNode，在紅黑樹中查詢是否存在指定的key
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
//在連結串列中查詢是否存在指定的key
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)))) {
//從紅黑樹中刪除
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
//連結串列頭刪除
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
//連結串列中的元素刪除
else
p.next = node.next;
//進行結構特性調整
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
/**
* 刪除所有的對映關係
*/
public void clear() {
Node<K,V>[] tab;
modCount++;
if ((tab = table) != null && size > 0) {
size = 0;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
//置 null 以便 GC
tab[i] = null;
}
}
複製程式碼問題
- 對於
new HashMap(18)，那麼雜湊桶陣列的大小是多少 - HashMap 要求雜湊桶陣列的長度是2的冪次方，這麼設計的目的是為什麼
- HashMap 何時對雜湊桶陣列開闢記憶體
- 雜湊函式是如何設計的，這麼設計的意圖是什麼
- HashMap 擴容的過程，擴容時候對 rehash 進行了什麼優化