深入理解Java集合和Map 4:Map接口实现类HashMap,源码剖析及其特性。

Map

Map不属于集合类子接口,其与Collection接口是同级别关系。

HashMap

  • 首先介绍两个常用的构造函数,如下,可见我们可以自定义初始容量或不指定,DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75常量表示的是默认扩容的一个数值,该数值介绍:假设我们HashMap初始容量为16,那么扩容的阈值容量为16*DEFAULT_LOAD_FACTOR=12,当HashMap的key-value已经有了12个时,JDK将会自动对HashMap进行扩容。扩容方法下文讲解。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
    /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
  • 非线程安全。
  • HashMap底层结构为数组+链表+红黑树,当存在hash值一致,并且对应位置已经有元素且待加入元素与之不同时,将会使用链表将要加入元素链接至原元素后面,需注意,在链表长度超过8时,且数组长度超过64时,将会把链表转变至红黑树结构。
  • 以put()方法剖析源码及个人理解如下方代码,因涉及方法众多,附近找不到的方法请在下方仔细查看,主要集中在数组和链表部分,红黑树部分在学习树结构中详解
  • 在下方1.2.1处语句说明了,即使hash值一样,内容一样,我们仍然可以重写key的equal方法来使语句不进入1.2.1中达到内容一致也可加入hashMap的问题。
public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
static final int hash(Object key) {//该函数获得key得哈希值,null得hash为0
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
transient Node<K,V>[] table;//table为Node类数组,后文将Node得对象统一称之为节点。
//该数组即为上文描述中“HashMap底层结构为数组+链表+红黑树”得数组。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
//Node静态内部类,传入进来的key-value都将被该类封装成统一形式。其主要有四个成员
        final int hash;//key得hash值
        final K key;//key
        V value;//value
        Node<K,V> next;//若形成了链表,next则是当前节点的下一个节点
}
    /**
     * Implements Map.put and related method
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to put
     * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
     * @param evict if false, the table is in creation mode.
     * @return previous value, or null if none
     */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {
//此函数条件语句较多,采用步骤标号方式
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//1、此语句判断存储节点得数组是否存在
//本质上是第一次存储数据的一个初始化,将存储节点的数组创建出来
            n = (tab = resize()).length;//resize方法后面有介绍
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)//1.1:n-1为当前数组最大下标,与hash按位与保证了所得数字不会超过最大下标,
//即key都可以落在数组中,一些其他算也有的采用hash/最大下标取余数,如果数组与后的位置为空,表明此处没有节点,直接填入,如果已经有节点,进入else
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {//1.2
            Node<K,V> e; K k;//e是一个辅助节点
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//1.2.1:如果待加入节点与该位置已存在节点hash值相等并且key值相等且不为空,
//将已存在节点p赋给e,其实此处相当于不处理待带加入节点,直接丢弃了待加入节点,后文中会发现其实并未真正的丢弃,而是value值覆盖了旧的已存在节点value值,如果不丢弃,进入1.2.2或者1.2.3
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//1.2.2:如果原有节点是一个树节点,说明此处已经链接了一棵树,将待加入key-value加入树中
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {//1.2.3:如果进入该处,说明原有节点是一个链表节点,后续操作应该是将新信息加入到链表尾
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {//此循环为遍历链表,直到最后一个,将新节点加入到链表尾部
                    if ((e = p.next) == null) {//1.2.3.1加入链表
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);//链接在尾部
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//1.2.3.1.1加入后若链表长度>=8,treeifyBin进行树化并退出遍历,实际上此处即使调用treeifyBin也不一定进行树化,详见treeifyBin方法
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//1.2.3.2:如果不进行树化则此处在加入链表后必然进入该处然后退出
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key//1.2.4:e != null说明上面条件语句进入了1.2.1,因为进入1.2.2和1.2.3中e被赋值null
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;//返回不为空说明原来表中存在相同的key,则覆盖原来的value并返回旧的value
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)//判断数组中节点个数是否大于threshold,threshold=数组容量*0.75,如果成立,则进行数组扩容。
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);//空方法,HashMap子类可以实现
        return null;//此处表示put成功
    }
  • 扩容函数,下文代码即注释介绍了其扩容机制,这也表明hashMap元素不仅是无序的,而且元素顺序还会随时改表
/**
     * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in
     * accord with initial capacity target held in field threshold.
     * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
     * elements from each bin must either stay at same index, or move
     * with a power of two offset in the new table.
     * @return the table
     */
    final Node<K,V>[] resize() {//HashMap的数组扩容函数,主要是一些扩容逻辑,主要修改两个值:数组容量和threshold,需要注意数组扩容以二倍方式扩容,语句见下面一处汉字注释
        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)//此处新容量为旧容量左移一位,即newCap = oldCap*(2的1次方)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold同时更新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;
    }
/**
     * Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
     * table is too small, in which case resizes instead.
     */
//此方法为树中方法,在此只说明一处,见下文汉字注释部分
    final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)//MIN_TREEIFY_CAPACITY为64,说明在HashMap中的数组长度在小于64的时候,
//即使链表长度>=8也不会树化
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
    }
  • HashMap的get(key)方法源码剖析及个人详解见下方代码及注释,由上文中描述的HashMap的结构可查找猜测思路:1.根据key的哈希值查找在数组中的位置,如果不为空,是一个数组节点,直接返回该节点;2.是一个链表的话,输入的key依次比较链表中节点的key值,匹配上返回该节点;3.如果是树节点,则在树中查找。下方代码注释123表示上述123所描述的内容。
public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }
/**
     * Implements Map.get and related methods
     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @return the node, or null if none
     */
    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))))//对应上文1.,由于数组中节点与链表中节点是一个类型,所以直接用头节点表示即可
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)//3.是树节点,则在树中查找
                    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);//是链表,则遍历链表依次查找
            }
        }
        return null;
    }
  • HashMap的遍历方法众多,如下示例三种:
public static void main(String[] args) {
	HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
	map.put("aaa", 1);
	map.put("bbb", 2);
	map.put("ccc", 3);
	map.put("ddd", 4);	
	//1。map.entrySet(),推荐
	for(Entry<String, Integer> entry: map.entrySet()) 
		System.out.println(entry.getKey()+","+entry.getValue());
	//map.entrySet()返回为Set集合,集合均实现了迭代器接口,所以可以使用迭代器
	Iterator<Entry<String, Integer>> iterator = map.entrySet().iterator();
	while (iterator.hasNext()) {
		Entry<String, Integer> entry = (Entry<String, Integer>) iterator.next();
		System.out.println(entry.getKey()+","+entry.getValue());
	}
	//map.keySet()
	for (String key : map.keySet()) {
		System.out.println(key+","+map.get(key));
	}
}