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      Java HashMap源码浅析

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      Java HashMap源码浅析

      2023-03-10 03:11:39 阅读次数:476

      HashMap,Java

      之前虽然很频繁使用java的hashmap,但一直都是纯用,至于里面怎么实现的,一直都是糊里糊涂的。今年4月份跳槽找工作,大概看了一下HashMap的源码,在面试过程中也被多位面试官问到HashMap的相关问题,有些问题也没回答出来。本来几个月前就想着写一篇相关源码解析的博客(主要是加深自己的理解),一直拖到现在,接下来就跟我一起看下HashMap的实现(基于jdk8)。

        

      Java HashMap源码浅析

        HashMap实现了Map,Cloneable,Serializable三个接口,Map定义了必要方法,Cloneable意味着HashMap是可被clone的,Serializable以为这HashMap可以被序列化。但是AbstractMap是什么鬼?打开AbstractMap的源码就会发现注释第一句就告诉你,AbstractMap给Map提供了一个骨架,事实上它实现了Map的几乎所有的方法,除了entrySet()。AbstractMap既然实现了Map接口,那为什么HashMap还要实现Map接口? 好吧关于这个问题,有人说是个作者的一个失误,见StackOverflow,我觉得这个说法站不住脚啊,如果是个失误,为啥到jdk10还没被修复,跳过这个问题。

        打开HashMap的源码,跳过一堆注释,最先看到的是几个常量,这几个常量是缺省时的默认值,非常重要,它们决定这HashMap在使用过程中内部的发生的一些行为,我们挨个看一下。

      long serialVersionUID = 362498820763181265L;   //用来在序列化时校验用的  
      int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;   //缺省时HashMap的初始容量 16
      int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;  //最大容量  
      float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;  //缺省时的默认负载因子,当map中的存储量占总容量的75%以上,hashmap就会把自身容量扩张一倍
      int TREEIFY_THRESHOLD = 8;  // 触发树化阀值
      int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;  // 真正树化阀值 
      

      了解一个类,应该最先从其构造函数开始,HashMap可选的构造参数并不多,最核心的就这一个构造方法,如下。

          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);
          }
      

      这个构造函数做的事很简单,只是初始化了两个值,一个是负载因子,如果用户用自定义切校验通过就会抛弃默认的0.75负载因子。另一个是threshold,loadFactor是个负载因子的比例,threhold才是实际值,HashMap会根据threhold具体值来做resize()。这里我们顺带看下tableSizeFor()的实现。

          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;
          }
      

      这个函数就就是找到最小那个比cap大的2^n。
        如上所示,其实构造函数什么都没做。内部空间初始化也没做,那什么时候做呢?其实HashMap存储初始化的动作都是插入值的时候做的,这样设计有个好处,可以避免你虽然new了一个HashMap,但写入数据导致的资源浪费。
         接下来我们看下HashMap内部是怎么存储数据的。HashMap中有个内部静态类Node<K,V>,这个用来存储数据的实体,看下代码。

      static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
              final int hash;
              final K key;
              V value;
              Node<K,V> next;
              /**
              * 省略一些简单方法
              */
          }
      

      这个类里除了用户可见的K,V之外,还额外存储了hash值,这个hash值就是K的hash值,单独存下是为了优化,不需要每次用到的时候都计算K的hash值。next这个就是单链表的next指针了,HashMap解决hash值冲突的方式就是是开一条单链表,Jdk8之后就不仅仅是单链表了,后续我们会详解介绍。
        HashMap中有个Node<K,V>[] table; 这个数组就是所有数据存储的地方了。它会在第一次插入数据时发现table为null候才被初始化。

      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)
                  n = (tab = resize()).length;
              if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                  tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
              else {
                  Node<K,V> e; K k;
                  if (p.hash == hash &&
                      ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                      e = p;
                  else if (p instanceof TreeNode)
                      e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                  else {
                      for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                          if ((e = p.next) == null) {
                              p.next = newNode(hash, key, value, null);
                              if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                                  treeifyBin(tab, hash);
                              break;
                          }
                          if (e.hash == hash &&
                              ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                              break;
                          p = e;
                      }
                  }
                  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;
          }
      

      既然贴出来了这段代码了,我们就先来看下这段,再看HashMap的resize()。最开始就检查table,如果table是null,就用resize做初始化,然后在安插新节点。如果遇到hash值碰撞,如果发现是同一个key,就覆盖。否在有两种情况,要么单链表插入,要么红黑树插入,一个HashMap的内部存储可能长这个样子,树化后的某些单链表可能会变成一颗树(示意图,并不代表真实情况)。

      Java HashMap源码浅析

        这里就遇到jdk对于hashmap指针碰撞的优化了,如果过多的K,V都有同样的hash值,就会变成一条非常长的链,增删查的性能就非常低了。所以jdk8在链表长度达到8的时候就会触发链表的树话,把单链表变成一个红黑树,可以把各种操作的时间复杂度从O(n)降低到O(logn)。

        事实上,链表长度到8,虽然会触发树化,但并不一定会树化,而是会优先选择resize(),只有链表长度达到64才会树化,其实我并不理解为什么要再设个64的阀值才会树化,可能是在节点树少的时候,树的平局操作时间复杂度不会比单链表的优太多吧。

        我觉得在HashMap中resize()是HashMap的核心,也是很多问题的根源。虽然resize()对用户不可见,但它是保证HashMap性能最重要的一般,当然它也是HashMap并发问题的罪魁祸首。

      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) {
                  if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                      threshold = Integer.MAX_VALUE;
                      return oldTab;
                  }
                  else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                           oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                      newThr = oldThr << 1; // double threshold
              }
              else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
                  newCap = oldThr;
              else {               // zero initial threshold signifies using defaults
                  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;
              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)
                              newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                          else if (e instanceof TreeNode)
                              ((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 {
                                  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;
          }
      

      大体上就是新建一个newTab,是原来table大小的两倍,然后把原有数据做放到newTab中。先不管Tree是怎么裂变的(还没搞懂),我们来看下单链表怎么裂变的。 这里直接把一个单链表裂变成了两个。在odltab中第j位置的单链表,裂变成两条单链表,一条放newtab中j位置,另一条放newtab中i+oldcap的位置,每个j都是这么做的,就是这么神奇, 很长时间我一直没理解这么简单处理,如何保证在同一条链表中的节点都有相同的hash值?
        其实也很简单,就是按hash值第oldCap那位0和1做了区分。因为我们cap每次都是以2为系数增长的,然后按cap-1为掩码来计算位置的,当容量扩大一倍后,只会有一部分最高位是1的才需要移动。比如hash值最后4位都是是0101的节点,其在newtab中新的位置要么是10101,要么是00101。
        今天最后一个问题,为什么HashMap不是线程安全的? 罪魁祸首还是resize(),如果在多线程插入的情况下,多个线程有可能同时执行resize(),多线程操作一个单链表,很大几率会出现数据一致性的问题,甚至有可能会在链表中出现环。

      版权声明:本文内容来自第三方投稿或授权转载,原文地址:https://blog.51cto.com/xindoo/5481084,作者:xindoo,版权归原作者所有。本网站转在其作品的目的在于传递更多信息,不拥有版权,亦不承担相应法律责任。如因作品内容、版权等问题需要同本网站联系,请发邮件至ctyunbbs@chinatelecom.cn沟通。

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      2025-05-14 10:03:05

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      2025-05-14 10:03:05
      HashMap , 使用 , 哈希 , 引用 , 方法 , 遍历 , 键值
      2025-05-14 10:02:58

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      2025-05-14 10:02:58
      Java , 概率 , 模拟 , 程序
      2025-05-14 09:51:21

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      2025-05-14 09:51:21
      Hadoop , Java , 代码 , 使用 , 用户名 , 认证
      2025-05-14 09:51:21

      java 判断map为null或者空

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      2025-05-14 09:51:21
      Java , Map , null , 方法 , 是否 , 检查 , 示例
      2025-05-14 09:51:15

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      2025-05-14 09:51:15
      Java , 方法 , 监控 , 示例 , 线程 , 队列
      2025-05-13 09:53:23

      java动态获取实体类的字段

      在Java中,我们可以使用反射(Reflection)API来动态地获取实体类的字段。

      2025-05-13 09:53:23
      API , Java , 使用 , 字段 , 实体类 , 方法 , 获取
      2025-05-13 09:53:23

      Java静态变量在静态方法内部无法改变值

      在Java中,静态变量(也称为类变量)属于类本身,而不是类的任何特定实例。它们可以在没有创建类的实例的情况下访问和修改。如果我们发现在静态方法内部无法改变静态变量的值,这通常是因为我们的代码中有一些逻辑错误或误解。

      2025-05-13 09:53:23
      Java , 变量 , 实例 , 类名 , 访问 , 静态 , 静态方法
      2025-05-13 09:50:17

      java实现3. 无重复字符的最长子串

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