HashMap详解

 

JDK1.8对HashMap底层的实现进行了优化，例如引入红黑树的数据结构和扩容的优化等

简介

Java为数据结构中的映射定义了一个接口java.util.Map

1. HashMap：它根据键的hashCode值存储数据，大多数情况下可以直接定位到它的值，因而具有很快的访问速度。
   HashMap最多只允许一条记录的键为null，允许多条记录的值为null。非线程安全。
   如果需要满足线程安全，可以用 Collections的synchronizedMap方法使HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap

2. Hashtable：Hashtable是遗留类，很多映射的常用功能与HashMap类似，不同的是它承自Dictionary类。线程安全。并发性不如ConcurrentHashMap，因为ConcurrentHashMap引入了分段锁。

3. LinkedHashMap：LinkedHashMap是HashMap的一个子类，保存了记录的插入顺序，在用Iterator遍历LinkedHashMap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序。

4. TreeMap：TreeMap实现SortedMap接口，能够把它保存的记录根据键排序，默认是按键值的升序排序，也可以指定排序的比较器，当用Iterator遍历TreeMap时，得到的记录是排过序的。
   在使用TreeMap时，key必须实现Comparable接口或者在构造TreeMap传入自定义的Comparator，否则会在运行时抛出java.lang.ClassCastException类型的异常。

内部实现

（1） 存储结构-字段
（2） 功能实现-方法

存储结构-字段

HashMap是数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的。

这里需要讲明白两个问题：数据底层具体存储的是什么？这样的存储方式有什么优点呢？

1. HashMap类中有一个非常重要的字段，就是 Node[] table，即哈希桶数组

   static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; //用来定位数组索引位置 final K key; V value; Node next; //链表的下一个node Node(int hash, K key, V value, Node next) { ... } public final K getKey(){ ... } public final V getValue() { ... } public final String toString() { ... } public final int hashCode() { ... } public final V setValue(V newValue) { ... } public final boolean equals(Object o) { ... } }

   Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。上图中的每个黑色圆点就是一个Node对象。

2. HashMap就是使用哈希表来存储的。Java中HashMap采用了拉链法解决冲突。
   例如程序执行下面代码：

   map.put("美团","小美");

   系统将调用"美团"这个key的hashCode()方法得到其hashCode 值（该方法适用于每个Java对象），然后再通过Hash算法的后两步运算（高位运算和取模运算，下文有介绍）来定位该键值对的存储位置。

哈希桶数组需要在空间成本和时间成本之间权衡。那么通过什么方式来控制map使得Hash碰撞的概率又小，哈希桶数组（Node[] table）占用空间又少呢？答案就是好的Hash算法和扩容机制。

HashMap的默认构造函数就是对下面几个字段进行初始化

int threshold; // 所能容纳的key-value对极限 final float loadFactor; // 负载因子 int modCount; // 用来记录HashMap内部结构发生变化的次数 int size;

Node[] table的初始化长度length(默认值是16)，Load factor为负载因子(默认值是0.75)，threshold是HashMap所能容纳的最大数据量的Node(键值对)个数。

threshold就是在此Load factor和length(数组长度)对应下允许的最大元素数目，超过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的HashMap容量是之前容量的两倍。

在HashMap中，哈希桶数组table的长度length大小必须为2的n次方(一定是合数)，这是一种非常规的设计，常规的设计是把桶的大小设计为素数。相对来说素数导致冲突的概率要小于合数[2].

HashMap采用这种非常规设计，主要是为了在取模和扩容时做优化，同时为了减少冲突，HashMap定位哈希桶索引位置时，也加入了高位参与运算的过程。

当链表长度太长（默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高HashMap的性能。

功能实现-方法

HashMap的内部功能实现很多，本文主要讲述：

1. 根据key获取哈希桶数组索引位置
2. put方法的详细执行
3. 扩容过程

确定哈希桶数组索引位置

先看看源码的实现(方法一+方法二):

方法一：
static final int hash(Object key) { //jdk1.8 & jdk1.7 int h; // h = key.hashCode() 为第一步 取hashCode值 // h ^ (h >>> 16) 为第二步 高位参与运算 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } 方法二： static int indexFor(int h, int length) { //jdk1.7的源码，jdk1.8没有这个方法，但是实现原理一样的 return h & (length-1); //第三步 取模运算 }

这里的Hash算法本质上就是三步：取key的hashCode值、高位运算、取模运算。
只要它的hashCode()返回值相同，那么程序调用方法一所计算得到的Hash码值总是相同的。我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算，这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，模运算的消耗还是比较大的，在HashMap中是这样做的：调用方法二来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处。

而HashMap底层数组的长度总是2的n次方，这是HashMap在速度上的优化。当length总是2的n次方时，h& (length-1)运算等价于对length取模，也就是h%length，但是&比%具有更高的效率。

分析HashMap的put方法

JDK1.8HashMap的put方法源码如下:

 1 public V put(K key, V value) { 2 // 对key的hashCode()做hash 3 return putVal(hash(key), key, value, false, true); 4 } 5 6 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 7 boolean evict) { 8 Node[] tab; Node p; int n, i; 9 // 步骤①：tab为空则创建 10 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 11 n = (tab = resize()).length; 12 // 步骤②：计算index，并对null做处理 13 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 14 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 15 else { 16 Node e; K k; 17 // 步骤③：节点key存在，直接覆盖value 18 if (p.hash == hash && 19 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 20 e = p; 21 // 步骤④：判断该链为红黑树 22 else if (p instanceof TreeNode) 23 e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 24 // 步骤⑤：该链为链表 25 else { 26 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 27 if ((e = p.next) == null) { 28 p.next = newNode(hash, key,value,null); //链表长度大于8转换为红黑树进行处理 29 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 30 treeifyBin(tab, hash); 31 break; 32 } // key已经存在直接覆盖value 33 if (e.hash == hash && 34 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; 36 p = e; 37 } 38 } 39 40 if (e != null) { // existing mapping for key 41 V oldValue = e.value; 42 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 43 e.value = value; 44 afterNodeAccess(e); 45 return oldValue; 46 } 47 } 48 ++modCount; 49 // 步骤⑥：超过最大容量 就扩容 50 if (++size > threshold) 51 resize(); 52 afterNodeInsertion(evict); 53 return null; 54 }

扩容机制

当然Java里的数组是无法自动扩容的，方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组，就像我们用一个小桶装水，如果想装更多的水，就得换大水桶。

鉴于JDK1.8融入了红黑树，较复杂，为了便于理解我们仍然使用JDK1.7的代码，好理解一些，本质上区别不大，具体区别后文再说。

 1 void resize(int newCapacity) { //传入新的容量 2 Entry[] oldTable = table; //引用扩容前的Entry数组 3 int oldCapacity = oldTable.length; 4 if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了 5 threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1)，这样以后就不会扩容了 6 return; 7 } 8 9 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //初始化一个新的Entry数组 10 transfer(newTable); //！！将数据转移到新的Entry数组里 11 table = newTable; //HashMap的table属性引用新的Entry数组 12 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);//修改阈值 13 }

transfer()方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。

 1 void transfer(Entry[] newTable) { 2 Entry[] src = table; //src引用了旧的Entry数组 3 int newCapacity = newTable.length; 4 for (int j = 0; j //遍历旧的Entry数组 5 Entry e = src[j]; //取得旧Entry数组的每个元素 6 if (e != null) { 7 src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用（for循环后，旧的Entry数组不再引用任何对象） 8 do { 9 Entry next = e.next; 10 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //！！重新计算每个元素在数组中的位置 11 e.next = newTable[i]; //标记[1] 12 newTable[i] = e; //将元素放在数组上 13 e = next; //访问下一个Entry链上的元素 14 } while (e != null); 15 } 16 } 17 }

同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置
我们在扩充HashMap的时候，不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash，只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了

(这部分并没有完全懂)

线程安全

HashMap在多线程的情况下可能链结构会受到破坏，导致无限循坏(JDK8 可能已经解决)

小结

(1) 扩容是一个特别耗性能的操作，所以当程序员在使用HashMap的时候，估算map的大小，初始化的时候给一个大致的数值，避免map进行频繁的扩容。

(2) 负载因子是可以修改的，也可以大于1，但是建议不要轻易修改，除非情况非常特殊。

(3) HashMap是线程不安全的，不要在并发的环境中同时操作HashMap，建议使用ConcurrentHashMap。

(4) JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能。

参考资料：

1. 美团点评技术团队 Java 8系列之重新认识HashMap https://zhuanlan.zhihu.com/p/21673805
2. 为什么一般hashtable的桶数会取一个素数 http://blog.csdn.net/liuqiyao_01/article/details/14475159

 

转载--- https://www.cnblogs.com/xawei/p/6747660.html