HashMap 簡介

HashMap 主要用來存放鍵值對，它基於雜湊表的Map介面實現，是常用的Java集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由陣列+連結串列組成的，陣列是 HashMap 的主體，連結串列則是主要為了解決雜湊衝突而存在的（“拉鍊法”解決衝突）.JDK1.8 以後在解決雜湊衝突時有了較大的變化，當連結串列長度大於閾值（預設為 8）時，將連結串列轉化為紅黑樹，以減少搜尋時間。

底層資料結構分析

JDK1.8之前

JDK1.8 之前 HashMap 底層是陣列和連結串列結合在一起使用也就是連結串列雜湊。 HashMap 透過 key 的 hashCode 經過擾動函式處理過後得到 hash 值，然後透過 (n - 1) & hash 判斷當前元素存放的位置（這裡的 n 指的是陣列的長度），如果當前位置存在元素的話，就判斷該元素與要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的話，直接覆蓋，不相同就透過拉鍊法解決衝突。

所謂擾動函式指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是擾動函式是為了防止一些實現比較差的 hashCode() 方法換句話說使用擾動函式之後可以減少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法原始碼:

JDK 1.8 的 hash方法相比於 JDK 1.7 hash 方法更加簡化，但是原理不變。

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static final int hash( Object key) {

int h;

// key.hashCode()：返回雜湊值也就是hashcode

// ^ ：按位異或

// >>>:無符號右移，忽略符號位，空位都以0補齊

return (key == null ) ? : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16 );

}

對比一下 JDK1.7的 HashMap 的 hash 方法原始碼.

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static int hash(int h) {

// This function ensures that hashCodes that differ only by

// constant multiples at each bit position have a bounded

// number of collisions (approximately 8 at default load factor).

h ^= (h >>> 20 ) ^ (h >>> 12 );

return h ^ (h >>> 7 ) ^ (h >>> 4 );

}

相比於 JDK1.8 的 hash 方法，JDK 1.7 的 hash 方法的效能會稍差一點點，因為畢竟擾動了 4 次。

所謂 “拉鍊法” 就是：將連結串列和陣列相結合。也就是說建立一個連結串列陣列，陣列中每一格就是一個連結串列。若遇到雜湊衝突，則將衝突的值加到連結串列中即可。

BAT面試必問HashMap原始碼分析

JDK1.8之後

相比於之前的版本，jdk1.8在解決雜湊衝突時有了較大的變化，當連結串列長度大於閾值（預設為8）時，將連結串列轉化為紅黑樹，以減少搜尋時間。

BAT面試必問HashMap原始碼分析

類的屬性：

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public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

// 序列號

private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

// 預設的初始容量是16

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 ;

// 最大容量

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 ;

// 預設的填充因子

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = .75f;

// 當桶(bucket)上的結點數大於這個值時會轉成紅黑樹

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8 ;

// 當桶(bucket)上的結點數小於這個值時樹轉連結串列

static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6 ;

// 桶中結構轉化為紅黑樹對應的table的最小大小

static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64 ;

// 儲存元素的陣列，總是2的冪次倍

transient Node<k,v>[] table;

// 存放具體元素的集

transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;

// 存放元素的個數，注意這個不等於陣列的長度。

transient int size;

// 每次擴容和更改map結構的計數器

transient int modCount;

// 臨界值當實際大小(容量*填充因子)超過臨界值時，會進行擴容

int threshold;

// 填充因子

final float loadFactor;

}

loadFactor載入因子

loadFactor載入因子是控制陣列存放資料的疏密程度，loadFactor越趨近於1，那麼陣列中存放的資料(entry)也就越多，也就越密，也就是會讓連結串列的長度增加，load Factor越小，也就是趨近於0，

loadFactor太大導致查詢元素效率低，太小導致陣列的利用率低，存放的資料會很分散。loadFactor的預設值為0.75f是官方給出的一個比較好的臨界值。

threshold

threshold = capacity * loadFactor，當Size>=threshold的時候，那麼就要考慮對陣列的擴增了，也就是說，這個的意思就是衡量陣列是否需要擴增的一個標準。

Node節點類原始碼：

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// 繼承自 Map.Entry<K,V>

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

final int hash; // 雜湊值，存放元素到hashmap中時用來與其他元素hash值比較

final K key; //鍵

V value; //值

// 指向下一個節點

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; }

// 重寫hashCode()方法

public final int hashCode() {

return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);

}

public final V setValue(V newValue) {

V oldValue = value;

value = newValue;

return oldValue;

}

// 重寫 equals() 方法

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 ;

}

樹節點類原始碼：

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static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {

TreeNode<K,V> parent; // 父

TreeNode<K,V> left; // 左

TreeNode<K,V> right; // 右

TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion

boolean red; // 判斷顏色

TreeNode( int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {

super (hash, key, val, next);

}

// 返回根節點

final TreeNode<K,V> root() {

for (TreeNode<K,V> r = this , p;;) {

if ((p = r.parent) == null )

return r;

r = p;

}

HashMap原始碼分析

構造方法

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// 預設建構函式。

public More ...HashMap() {

this .loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted

}

// 包含另一個“Map”的建構函式

public More ...HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {

this .loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

putMapEntries(m, false ); //下面會分析到這個方法

}

// 指定“容量大小”的建構函式

public More ...HashMap( int initialCapacity) {

this (initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);

}

// 指定“容量大小”和“載入因子”的建構函式

public More ...HashMap( int initialCapacity, float loadFactor) {

if (initialCapacity < )

throw new IllegalArgumentException( "Illegal initial capacity: " + initialCapacity);

if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)

initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

if (loadFactor <= || Float.isNaN(loadFactor))

throw new IllegalArgumentException( "Illegal load factor: " + loadFactor);

this .loadFactor = loadFactor;

this .threshold = tableSizeFor(initialCapacity);

}

putMapEntries方法：

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final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {

int s = m.size();

if (s > ) {

// 判斷table是否已經初始化

if (table == null ) { // pre-size

// 未初始化，s為m的實際元素個數

float ft = (( float )s / loadFactor) + 1 .0F;

int t = ((ft < ( float )MAXIMUM_CAPACITY) ?

( int )ft : MAXIMUM_CAPACITY);

// 計算得到的t大於閾值，則初始化閾值

if (t > threshold)

threshold = tableSizeFor(t);

}

// 已初始化，並且m元素個數大於閾值，進行擴容處理

else if (s > threshold)

resize();

// 將m中的所有元素新增至HashMap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);

}

put方法

HashMap只提供了put用於新增元素，putVal方法只是給put方法呼叫的一個方法，並沒有提供給使用者使用。

對putVal方法新增元素的分析如下：

①如果定位到的陣列位置沒有元素就直接插入。
②如果定位到的陣列位置有元素就和要插入的 key 比較，如果key相同就直接覆蓋，如果 key 不相同，就判斷 p 是否是一個樹節點，如果是就呼叫 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value) 將元素新增進入。如果不是就遍歷連結串列插入。

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public V put(K key, V value) {

return putVal(hash(key), key, value, false , true );

}

final V putVal( int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,

boolean evict) {

Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;

// table未初始化或者長度為0，進行擴容

if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == )

n = (tab = resize()).length;

// (n - 1) & hash 確定元素存放在哪個桶中，桶為空，新生成結點放入桶中(此時，這個結點是放在陣列中)

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

tab[i] = newNode(hash, key, value, null );

// 桶中已經存在元素

else {

Node<K,V> e; K k;

// 比較桶中第一個元素(陣列中的結點)的hash值相等，key相等

if (p.hash == hash &&

((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

// 將第一個元素賦值給e，用e來記錄

e = p;

// hash值不相等，即key不相等；為紅黑樹結點

else if (p instanceof TreeNode)

// 放入樹中

e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal( this , tab, hash, key, value);

// 為連結串列結點

else {

// 在連結串列最末插入結點

for ( int binCount = ; ; ++binCount) {

// 到達連結串列的尾部

if ((e = p.next) == null ) {

// 在尾部插入新結點

p.next = newNode(hash, key, value, null );

// 結點數量達到閾值，轉化為紅黑樹

if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1 ) // -1 for 1st

treeifyBin(tab, hash);

// 跳出迴圈

break ;

}

// 判斷連結串列中結點的key值與插入的元素的key值是否相等

if (e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

// 相等，跳出迴圈

break ;

// 用於遍歷桶中的連結串列，與前面的e = p.next組合，可以遍歷連結串列

p = e;

}

// 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結點

if (e != null ) {

// 記錄e的value

V oldValue = e.value;

// onlyIfAbsent為false或者舊值為null

if (!onlyIfAbsent || oldValue == null )

//用新值替換舊值

e.value = value;

// 訪問後回撥

afterNodeAccess(e);

// 返回舊值

return oldValue;

}

// 結構性修改

++modCount;

// 實際大小大於閾值則擴容

if (++size > threshold)

resize();

// 插入後回撥

afterNodeInsertion(evict);

return null ;

}

我們再來對比一下 JDK1.7 put方法的程式碼

對於put方法的分析如下：

①如果定位到的陣列位置沒有元素就直接插入。
②如果定位到的陣列位置有元素，遍歷以這個元素為頭結點的連結串列，依次和插入的key比較，如果key相同就直接覆蓋，不同就採用頭插法插入元素。

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public V put(K key, V value)

if (table == EMPTY_TABLE) {

inflateTable(threshold);

}

if (key == null )

return putForNullKey(value);

int hash = hash(key);

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

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null ; e = e.next) { // 先遍歷

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); // 再插入

return null ;

}

get方法

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public V get(Object key) {

Node<K,V> e;

return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;

}

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) > &&

(first = tab[(n - 1 ) & hash]) != null ) {

// 陣列元素相等

if (first.hash == hash && // always check first node

((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

return first;

// 桶中不止一個節點

if ((e = first.next) != null ) {

// 在樹中get

if (first instanceof TreeNode)

return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

// 在連結串列中get

do {

if (e.hash == hash &&

((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

return e;

} while ((e = e.next) != null );

}

return null ;

}

resize方法

進行擴容，會伴隨著一次重新hash分配，並且會遍歷hash表中所有的元素，是非常耗時的。在編寫程式中，要儘量避免resize。

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final Node<K,V>[] resize() {

Node<K,V>[] oldTab = table;

int oldCap = (oldTab == null ) ? : oldTab.length;

int oldThr = threshold;

int newCap, newThr = ;

if (oldCap > ) {

// 超過最大值就不再擴充了，就只好隨你碰撞去吧

if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {

threshold = Integer.MAX_VALUE;

return oldTab;

}

// 沒超過最大值，就擴充為原來的2倍

else if ((newCap = oldCap << 1 ) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)

newThr = oldThr << 1 ; // double threshold

}

else if (oldThr > ) // initial capacity was placed in threshold

newCap = oldThr;

else {

signifies using defaults

newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;

newThr = ( int )(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);

}

// 計算新的resize上限

if (newThr == ) {

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;

if (oldTab != null ) {

// 把每個bucket都移動到新的buckets中

for ( int j = ; j < oldCap; ++j) {

Node<K,V> e;

if ((e = oldTab[j]) != null ) {

oldTab[j] = null ;

if (e.next == null )

newTab[e.hash & (newCap - 1 )] = e;

else if (e instanceof TreeNode)

((TreeNode<K,V>)e).split( this , newTab, j, oldCap);

else {

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) == ) {

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 );

// 原索引放到bucket裡

if (loTail != null ) {

loTail.next = null ;

newTab[j] = loHead;

}

// 原索引+oldCap放到bucket裡

if (hiTail != null ) {

hiTail.next = null ;

newTab[j + oldCap] = hiHead;

}

return newTab;

}

HashMap常用方法測試

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package map;

import java.util.Collection;

import java.util.HashMap;

import java.util.Set;

public class HashMapDemo {

public static void main(String[] args) {

HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();

// 鍵不能重複，值可以重複

map.put( "san" , "張三" );

map.put( "si" , "李四" );

map.put( "wu" , "王五" );

map.put( "wang" , "老王" );

map.put( "wang" , "老王2" ); // 老王被覆蓋

map.put( "lao" , "老王" );

System.out.println( "-------直接輸出hashmap:-------" );

System.out.println(map);

/**

* 遍歷HashMap

*/

// 1.獲取Map中的所有鍵

System.out.println( "-------foreach獲取Map中所有的鍵:------" );

Set<String> keys = map.keySet();

for (String key : keys) {

System.out.print(key+ " " );

}

System.out.println(); //換行

// 2.獲取Map中所有值

System.out.println( "-------foreach獲取Map中所有的值:------" );

Collection<String> values = map.values();

for (String value : values) {

System.out.print(value+ " " );

}

System.out.println(); //換行

// 3.得到key的值的同時得到key所對應的值

System.out.println( "-------得到key的值的同時得到key所對應的值:-------" );

Set<String> keys2 = map.keySet();

for (String key : keys2) {

System.out.print(key + "：" + map.get(key)+ " " );

}

/**

* 另外一種不常用的遍歷方式

*/

// 當我呼叫put(key,value)方法的時候，首先會把key和value封裝到

// Entry這個靜態內部類物件中，把Entry物件再新增到陣列中，所以我們想獲取

// map中的所有鍵值對，我們只要獲取陣列中的所有Entry物件，接下來

// 呼叫Entry物件中的getKey()和getValue()方法就能獲取鍵值對了

Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();

for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {

System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());

}

/**

* HashMap其他常用方法

*/

System.out.println( "after map.size()：" +map.size());

System.out.println( "after map.isEmpty()：" +map.isEmpty());

System.out.println(map.remove( "san" ));

System.out.println( "after map.remove()：" +map);

System.out.println( "after map.get(si)：" +map.get( "si" ));

System.out.println( "after map.containsKey(si)：" +map.containsKey( "si" ));

System.out.println( "after containsValue(李四)：" +map.containsValue( "李四" ));

System.out.println(map.replace( "si" , "李四2" ));

System.out.println( "after map.replace(si, 李四2):" +map);

}

BAT面試必問HashMap原始碼分析

HashMap 簡介

底層資料結構分析

JDK1.8之前

JDK1.8之後

HashMap原始碼分析

構造方法

put方法

get方法

resize方法

HashMap常用方法測試

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