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Java类集框架之HashMap(JDK1.8)源码剖析
2015-05-22 11:01:11      个评论    来源:所思 所学 我写 我得  
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这几天学习了HashMap的底层实现,发现关于HashMap实现的博客还是很多的,但几乎都是JDK1.6版本的,而我的JDK版本是1.8.0_25,对比之下,发现Hashmap的实现变动较大。这篇博客断断续续写了一天,理解不当之处,欢迎指正。

在JDK1.6中,HashMap采用位桶+链表实现,即使用链表处理冲突,同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多,即hash值相等的元素较多时,通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中,HashMap采用位桶+链表+红黑树实现,当链表长度超过阈值(8)时,将链表转换为红黑树,这样大大减少了查找时间。

下面直接贴代码:

1 涉及到的数据结构:处理hash冲突的链表和红黑树以及位桶

 

    //Node是单向链表,它实现了Map.Entry接口
    static class Node implements Map.Entry {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node next;
        //构造函数Hash值 键 值 下一个节点
        Node(int hash, K key, V value, Node 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;
        }
        //判断两个node是否相等,若key和value都相等,返回true。可以与自身比较为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;
        }
    }

    //红黑树
    static final class TreeNode extends LinkedHashMap.Entry {
        TreeNode parent;  // 父节点
        TreeNode left;	//左子树
        TreeNode right;//右子树
        TreeNode prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;	//颜色属性
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node next) {
            super(hash, key, val, next);
        }

        //返回当前节点的根节点
        final TreeNode root() {
            for (TreeNode r = this, p;;) {
                if ((p = r.parent) == null)
                    return r;
                r = p;
            }
        }

transient Node[] table;//存储(位桶)的数组

有了以上3个数据结构,只要有一点数据结构基础的人,都可以大致联想到HashMap的实现了。首先有一个每个元素都是链表(可能表述不准确)的数组,当添加一个元素(key-value)时,就首先计算元素key的hash值,以此确定插入数组中的位置,但是可能存在同一hash值的元素已经被放在数组同一位置了,这时就添加到同一hash值的元素的后面,他们在数组的同一位置,但是形成了链表,所以说数组存放的是链表。而当链表长度太长时,链表就转换为红黑树,这样大大提高了查找的效率。

 

下面继续看代码实现:

2 HashMap主要属性

说一下填充比,默认值为0.75,如果实际元素所占容量占分配容量的75%时就要扩容了。如果填充比很大,说明利用的空间很多,但是查找的效率很低,因为链表的长度很大(当然最新版本使用了红黑树后会改进很多),HashMap本来是以空间换时间,所以填充比没必要太大。但是填充比太小又会导致空间浪费。如果关注内存,填充比可以

稍大,如果主要关注查找性能,填充比可以稍小。

 

public class HashMap extends AbstractMap implements Map, Cloneable, Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//最大容量

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;//填充比

    //当add一个元素到某个位桶,其链表长度达到8时将链表转换为红黑树
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;


    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;


    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

    transient Node[] table;//存储元素的数组


    transient Set> entrySet;

    transient int size;//存放元素的个数

    transient int modCount;//被修改的次数fast-fail机制

    int threshold;//临界值 当实际大小(容量*填充比)超过临界值时,会进行扩容

    final float loadFactor;//填充比(......后面略)

3 构造方法

 

HashMap的构造方法有4种,主要涉及到的参数有,指定初始容量,指定填充比和用来初始化的Map,直接看代码

 

    /* ---------------- Public operations -------------- */

    //构造函数1
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //指定的初始容量非负
    	if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException(Illegal initial capacity:  +
                                               initialCapacity);
        //如果指定的初始容量大于最大容量,置为最大容量
    	if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    	//填充比为正
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException(Illegal load factor:  +
                                               loadFactor);
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);//新的扩容临界值
    }

    //构造函数2
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    //构造函数3
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }

    //构造函数4用m的元素初始化散列映射
    public HashMap(Map m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

4 扩容机制

 

构造hash表时,如果不指明初始大小,默认大小为16(即Node数组大小16),如果Node[]数组中的元素达到(填充比*Node.length)

 

 //可用来初始化HashMap大小 或重新调整HashMap大小 变为原来2倍大小
    final Node[] resize() {
        Node[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {//超过1>>30大小,无法扩容只能改变 阈值
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)//新的容量为旧的2倍 最小也是16
                newThr = oldThr << 1; // 扩容阈值加倍
        }
        else if (oldThr > 0) 
            newCap = oldThr;//oldCap=0 ,oldThr>0此时newThr=0 
        else {               //oldCap=0,oldThr=0 相当于使用默认填充比和初始容量 初始化
            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[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
        //数组辅助到新的数组中,分红黑树和链表讨论
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node 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)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node loHead = null, loTail = null;
                        Node hiHead = null, hiTail = null;
                        Node next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            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;
    }

很明显,因为存在旧数组元素复制到新数组中的操作,扩容非常耗时。

 

5 确定元素put/get的数组Node[]位置

 

    static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
 public native int hashCode();

首先由key值通过hash(key)获取hash值h,再通过 h&(length-1)得到所在数组位置。一般对于哈希表的散列常用的方法有直接定址法,除留余数法等,既要便于计算,又能减少冲突。

 

在Hashtable中就是通过除留余数法散列分布的,具体如下:

int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
但是取模中的除法运算效率很低,HashMap则通过h&(length-1)替代取模,得到所在数组位置,这样效率会高很多。

在HashMap实现中还可以看到如下代码取代了以前版本JDK1.6的while循环来保证哈希表的容量一直是2的整数倍数,用移位操作取代了循环移位。

 

 

    //这段代码保证HashMap的容量总是2的n次方
    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;
    }
可以从源码看出,在HashMap的构造函数中,都直接或间接的调用了tableSizeFor函数。下面分析原因:length为2的整数幂保证了length-1最后一位(当然是二进制表示)为1,从而保证了取索引操作 h&(length-1)的最后一位同时有为0和为1的可能性,保证了散列的均匀性。反过来讲,当length为奇数时,length-1最后一位为0,这样与h按位与

 

的最后一位肯定为0,即索引位置肯定是偶数,这样数组的奇数位置全部没有放置元素,浪费了大量空间。

简而言之:length为2的幂保证了按位与最后一位的有效性,使哈希表散列更均匀。
 

6 下面分析HashMap的最常用操作put和get

注意HashMap中key和value都容许为null

直接上代码:

 

    //***********************************get***************************************************/
    public V get(Object key) {
        Node e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }


    final Node getNode(int hash, Object key) {
        Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
        //hash & (length-1)得到对象的保存位
        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) {
            	//如果第一个节点是TreeNode,说明采用的是数组+红黑树结构处理冲突
            	//遍历红黑树,得到节点值
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
                //链表结构处理
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

 //************************put*********************************************************************
    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[] tab; Node p; int n, i;
        //如果tab为空或长度为0,则分配内存resize()
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //(n - 1) & hash找到put位置,如果为空,则直接put
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node e; K k;
            //第一节节点hash值同,且key值与插入key相同
            if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//属于红黑树处理冲突
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
            	//链表处理冲突
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //p第一次指向表头,以后依次后移
                	if ((e = p.next) == null) {
                        //e为空,表示已到表尾也没有找到key值相同节点,则新建节点
                		p.next = newNode(hash, key, value, null);
                		//新增节点后如果节点个数到达阈值,则将链表转换为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                	//容许null==null
                    if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;//更新p指向下一个节点
                }
            }
            //更新hash值和key值均相同的节点Value值
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

下面简单说下添加键值对put(key,value)的过程:(事实上,直接看代码逻辑更清晰些)

 

1判断键值对数组tab[]是否为空或为null,否则resize();

2根据键值key计算hash值得到插入的数组索引i,如果tab[i]==null,直接新建节点添加,否则转入3

3判断当前数组中处理hash冲突的方式为链表还是红黑树(check第一个节点类型即可),分别处理。

 

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