java读源码 之 map源码分析（HashMap）二

​ 在上篇文章中，我已经向大家介绍了HashMap的一些基础结构，相信看过文章的同学们，应该对其有一个大致了了解了，这篇文章我们继续探究它的一些内部机制，包括构造函数，字段等等~

字段分析：

// 默认容量16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
// 最大容量2的31次方
 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认负载因子0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 链表中元素超过8就进行树化
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 在哈希表扩容时，如果发现链表长度小于 6，则会由树重新退化为链表。
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//在转变成树之前，还会有一次判断，只有键值对数量大于 64 才会发生转换。这是为了避免在哈希表建立初期，多个键 //值对恰好被放入了同一个链表中而导致不必要的转化。
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

构造函数分析：

/**
 * 用指定的初始容量跟负载因子构造一个空的HashMap
 */
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);
}

构造函数中调用了一个tableSizeFor方法，我们跟踪这个方法可以发现：

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;
}

有没有一种很眼熟的感觉？这个算法我们之前在ArrayDeque已经分析过啦，其实就是求一个比cap大的最小的2的n次方的数（在这个方法里，进行了减1，就是要找一个大于等于当前数的2的n次方的数），具体的分析大家可以看看这篇文章：https://blog.csdn.net/qq_41907991/article/details/94724829

// 构造一个指定初始容量的HashMap，采用的是默认的负载因子0.75
public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

// 容量跟负载因子均采用默认的值，初始容量为16，负载因子为0.75
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

// 构建一个新的HashMap,用于保存原有map中的映射
// 在构建时会采用默认的负载因子0.75，同时会计算一个初始容量来保存这些映射
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);
}

// 将集合中元素放入到新构建的map中
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    // 可以看到，不能放入一个null的map
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        // 如果当前的HashMap还没经过初始化的话，现进行一次初始化
        if (table == null) { 
            // 计算当前map需要的最小的容量=元素数量/负载因子，加1方便强转
            float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                     (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            // 如果容器中元素的数量已经大于了阈值，进行一次容量的初始化
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        // 如果当前的hashMap已经经过的初始化，判断元素数量是否大于阈值
        else if (s > threshold)
            // 进行一次扩容
            resize();
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            // 循环添加
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}

构造函数就到这里啦~，接下来就要进入我们今天的重头戏，hashMap的扩容机制:

扩容机制：

final Node<K,V>[] resize() {
    // 旧容器底层数组
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    // 旧容器容量
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    // 旧容器的阈值
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    // oldCap > 0说明容器已经经过了初始化
    if (oldCap > 0) {
        // 扩容前进行判断，如果oldCap>2的31次方
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            // 直接将阈值设置为Integer.MAX_VALUE
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        // 这里可以看出容量每次被扩容为2倍
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            // 阈值也变为原来2倍
            newThr = oldThr << 1; 
    }
    else if (oldThr > 0) 
        // 当我们调用HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)这个构造函数时，就会进入这个判断
        newCap = oldThr;
    else { 
        // oldCap=0 oldThr=0，说明还没经过初始化，直接给默认值
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    // 还没有对新的阈值进行计算
    if (newThr == 0) {
        // 计算公式容量*负载因子
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    // 根据计算出来的容量创建一个对应长度的数组
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    // 将这个数组赋值给我们的容器
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        // 原容器的数组不为null,说明曾经放入过元素
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            // 遍历其中每一个节点
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                // 将原数组中的引用置为null,方便垃圾回收
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    // 根据key得到hash值跟新容器容量进行模运算，并将这个位置上的元素置为e
                    // 在arrayDeque的文章中已经详细分析过原理了
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                // TreeNode的相关东西我们还是单独做一章进行分析
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { 
                    // 说明在当前数组位置上，下挂了一个链表
                    // 需要将这个链表进行移动
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        // e.hash & oldCap 很关键的一个判断
                        // 主要用来判断链表下挂的节点是否发生改变
                        // 后文会对这个判断进行详细分析
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            // 解决jdk循环链表跟rehash后链表顺序颠倒的问题
                            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;
    }

到这里，我们已经对resize有了一个大致的了解，但是现在最大的问题就是上面这段代码最好那个循环了，它到底是干什么的？我们好不容易搞懂了e.hash & (newCap - 1)是一个模运算，现在这个(e.hash & oldCap) == 0又是什么鬼?不要急，跟着我一步步分析，包懂~~~~，要说清楚这个问题，我们需要将其与jdk7进行比较

jdk7中扩容导致的问题分析：

参考链接：https://www.jianshu.com/p/619a8efcf589

具体的源码我就不分析，相对于jdk8而言，代码还是很好理解的，这里主要说一下过程，以及它导致的死循环问题：（请注意，以下为jdk7的流程，不是jdk8，不要搞混了哦）

// jdk7中的resize方法
void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    ......
    // 创建一个新的 Hash Table
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    // 将 Old Hash Table 上的数据迁移到 New Hash Table 上
    transfer(newTable);
    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
// 迁移链表的方法
void transfer(Entry[] newTable) {
    Entry[] src = table;
    int newCapacity = newTable.length;
    //下面这段代码的意思是：
    //  从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中
    for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        Entry<K,V> e = src[j];
        if (e != null) {
            src[j] = null;
            do {
                Entry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}

• 假设我们的 hash 算法就是简单的用 key mod 一下表的大小（也就是数组的长度）

• 最上面的是 old hash 表，其中的 Hash 表的 size = 2，所以 key = 3, 7, 5，在 mod 2 以后都冲突在 table[1] 这里了

• 接下来的三个步骤是 Hash 表 resize 成 4，然后所有的 <key, value> 重新 rehash 的过程

并发下的Rehash:

1）假设有两个线程

do {
    Entry<K,V> next = e.next; //  假设线程一执行到这里就被调度挂起了
    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    e.next = newTable[i];
    newTable[i] = e;
    e = next;
} while (e != null);

而线程二执行完成了。于是有下面的这个样子

注意，线程二执行完成之后，key(7)已经指向了Key(3)

2）线程一被调度回来执行

• 先是执行 newTalbe[i] = e;
• 然后是 e = next，导致了 e 指向了 key(7)
• 而下一次循环的 next = e.next 导致了 next 指向了 key(3)

3）线程一接着工作。把 key(7) 摘下来，放到 newTable[i] 的第一个，然后把 e 和 next 往下移

4）环形链接出现
e.next = newTable[i] 导致 key(3).next 指向了 key(7)
此时的 key(7).next 已经指向了 key(3)， 环形链表就这样出现了

在对jdk中hashmap存在的问题分析了之后，我们来看看jdk8是怎么解决的。

jdk8的改进方案：

我们先解答之前留下来的一个疑惑，if ((e.hash & oldCap) == 0),oldCap一定是2的n次方，用二进制表示可以是下面这个样子

看到这种数，并且在进行与运算，我们就要知道，它其实就是为了确定e.hash的第n-1位上的到底是0还是1。

那么现在问题就成了，如果key的hash值对应的二进制第n-1位为0又意味着什么呢？为1又意味着什么呢？

我们分两种情况分析：

1. key的hash值对应的二进制第n-1位为0

当我们确定了其n-1位为0的时候，这个时候，key.hash & 2的n次方一定等于key.hash & 2的n+1次方（也就是我们扩容后的容量），图解如下：

我们可以看到，当我们进行key.hash&(容量-1)的时候，因为新旧容量对应二进制数唯一的区别就是最高位上一个为0，一个为1，而当我们确定key的hash值在这个位置上的值为0后，就可以忽略这个差异性，因为0与1=0与0=0

这个时候说明了这个这个key在数组中的位置不需要被移动，还是在原来的角标位置上

2. key的hash值对应的二进制第n-1位为1

从图中可以很明显的看出来，key.hash & 2的n次方-1 跟 key.hash & 2的n+1次方-1，这两个结果相差什么呢？相差一个2的n次方嘛~，也就是oldCap。分析完了不得不感叹一句，真他娘的巧妙！

OK,解决了我们遗留的一个问题后，继续分析为什么jdk8能解决添加元素的时候的死循环问题，回到之前的代码：

// 位置为发生改变的节点对应链表的头尾节点
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
// 位置发生改变的节点对应链表的头尾节点
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
    next = e.next;
    // 说明位置没有发生改变
    if ((e.hash & oldCap) == 0) {
        // 说明是第一次进行这个判断
        if (loTail == null)
            // 将头节点置为e
            loHead = e;
        else
            // 否则将当前链表的最后一个节点指向e
            loTail.next = e;
        // loTail始终为加入的最后一个元素
        loTail = e;
    }
    else {
        // 说明位置发生了改变
        if (hiTail == null)
            hiHead = e;
        else
            hiTail.next = e;
        hiTail = e;
    }
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
    // 说明有元素的位置没发生改变
    loTail.next = null;
    // 新数组原位置上的元素置为这个链表的头节点
    newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
    // 说明有元素的位置发生了改变
    hiTail.next = null;
    // 改变的位置为原位置+oldCap
    newTab[j + oldCap] = hiHead;
}

可以看出，相比于jdk7，jdk8在移动元素时不会该变其顺序，而是保持原来的顺序，这样就解决了jdk7中的死循环问题

到这里，扩容机制我们就介绍完啦希望你能从中学习到知识哦~~，预计HashMap还有两篇文章

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