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  • java并发之hashmap源码

    在上篇博客中分析了hashmap的用法,详情查看java并发之hashmap

    本篇博客重点分析下hashmap的源码(基于JDK1.8)

    一、成员变量

    HashMap有以下主要的成员变量

    /**
         * The default initial capacity - MUST be a power of two.
         默认初始容量
         */
        static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    
        /**
         * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
         * by either of the constructors with arguments.
         * MUST be a power of two <= 1<<30.
          最大容量
         */
        static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    
        /**
         * The load factor used when none specified in constructor.
         默认的加载因子
         */
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
        /**
         * The bin count threshold for using a tree rather than list for a
         * bin.  Bins are converted to trees when adding an element to a
         * bin with at least this many nodes. The value must be greater
         * than 2 and should be at least 8 to mesh with assumptions in
         * tree removal about conversion back to plain bins upon
         * shrinkage.
         JDK1.8在哈希冲突后,使用链表的方式存储数据,当链表中元素个数超过8个,则转化为红黑树的格式
         */
        static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
    
        /**
         * The bin count threshold for untreeifying a (split) bin during a
         * resize operation. Should be less than TREEIFY_THRESHOLD, and at
         * most 6 to mesh with shrinkage detection under removal.
         当红黑树的节点数少于6个,则转化为链表
         */
        static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
        /**
         * The table, initialized on first use, and resized as
         * necessary. When allocated, length is always a power of two.
         * (We also tolerate length zero in some operations to allow
         * bootstrapping mechanics that are currently not needed.)
         存储元素的数组
         */
        transient Node<K,V>[] table;
    
        /**
         * Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
         * for keySet() and values().
         
         */
        transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
    
        /**
         * The number of key-value mappings contained in this map.
         key-value的个数
         */
        transient int size;

    上面对HashMap中的主要成员变量做了注释,重点关注以下几个,

    transient Node<K,V>[] table  这个成员变量是HashMap存储键值对的载体,Node类型的数组,可以联想到把键值对封装成了Node对象,然后使用数组存储一个一个的Node,体现了Java三大特性中的封装。

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;  HashMap的默认容量,即table数据组的默认长度,在构建table数组时使用。

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30  HashMap的最大容量,即table数据的最大长度。

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f  默认的加载因子,这个变量很重要,关系到HashMap扩容以及数组的饱和程度等

    final float loadFactor  加载因子

    int threshold  代表HashMap的阈值,=table数组的长度*loadFactor,当HashMap中键值对的数量大于threshold的时候便需要扩容,即把数据的长度扩大一倍

    二、构造函数

    HashMap提供了以下4个构造函数,

    1、HashMap()

    这个是默认的构造函数,其实现如下

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

    从其实现来看,仅指定了默认的负载因子,其他的均为默认值,默认的负载因子为0.75,这个值是经过经验得出的,是空间和时间上的一个均衡。

    2、HashMap(int initialCapacity)

    这个可以指定HashMap的初始容量,但此容量并非要创建的Node类型的table的长度,HashMap使用了tableSizeFor(int cap)方法对其处理,此方法下面会说到。构造方法的实现如下,

    public HashMap(int initialCapacity) {
            this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }

    实现即调用了另一个构造方法

    3、HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

    这个构造方法可以指定两个参数,一个是初始容量,另一个是负载因子,前面说到容量*负载因子=阀值(threshold),当键值对的数量(size)大于阀值时便要扩容。构造方法实现如下,

    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);
        }

    对给定的初始容量做了判断,最后通过tableSizeFor函数计算出的值给了threshold。

    4、HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

    使用一个Map类型的变量构造HashMap,其实现如下

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
            this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
            putMapEntries(m, false);
        }

    指定了负载因子,看起来负载因子很重要。

    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
            int s = m.size();
            if (s > 0) {
                if (table == null) { // pre-size
                    float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                    int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                             (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                    if (t > threshold)
                        threshold = tableSizeFor(t);
                }
                else if (s > threshold)
                    resize();
                for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                    K key = e.getKey();
                    V value = e.getValue();
                    putVal(hash(key), key, value, false, evict);
                }
            }
        }

    从4个构造方法中,可以看出都并未初始话table变量,即存储数据的数组,那么table变量在什么时候初始化那,是在put方法中。为什么要放在put方法中,那是因为如果我就调用了构造方法,然后初始化了table数组,分配了内存,然而我不向HashMap中放数据,即不调用put方法,那么肯定会造成内存的浪费,所以只有在真正调用put的时候才初始化table,考虑周全呀。

    二、工具函数

    这里重点分析两个工具函数,hash和tableSizeFor。

    1、hash(Object key)

    此函数的作用是传递一个key参数,返回一个int数值,

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

    如果key为null,则返回0,否则,取key的hashCode值h和h无符号右移16位的异或值。为什么要这样做我们放在后边分析。这个函数决定了每个键值对在table数组中的位置。

    2、tableForInt(int cap)

    此函数是为了计算大于或等于给定参数的最小的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;
        }

    举个例子,现在给一个数19,调用此函数后返回32;给一个数16,调用此函数后返回16,给一个数15,调用此函数后返回16。

    三、put/get操作

    put和get操作是HashMap中常用的操作,使用频率很高,了解其实现对编写代码很有提升。

    1、put(K key, V value)

    public V put(K key, V value) {
            return putVal(hash(key), key, value, false, true);
        }

    从上面的代码中可以看出调用了putVal方法,使用hash函数对key进行了哈希。putVal的定义如下,

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                       boolean evict) {
            Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
            //如果HashMap底层的数组table为空,或者其长度位0
            if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                n = (tab = resize()).length;//调用扩容方法进行扩容,并返回扩容后的长度
            //如果要存储的key在table中的索引处元素p为null,则说明此key所在索引处未产生hash冲突
            if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                //生成一个Node节点,放在此key的索引处
                tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
            else {//如果此key所在的索引处的元素p不为null,说明已经有其他的key的hash值和现在key的hash相同,产生了hash冲突,两个元素在table中的索引一致
                Node<K,V> e; K k;
                //如果要插入的key value和p的全部相同,把p赋给e
                if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    e = p;
                    //如果不相等,判断p的节点类型,如果是TreeNode类型,则证明是红黑树的结构,调用putTreeVal进行元素插入
                else if (p instanceof TreeNode)
                    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                else {//如果不是TreeNode类型,则说明是链表的结构,使用链表的方式插入,找到链表的尾部,进行插入
                    for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                        if ((e = p.next) == null) {
                            //在p后插入元素
                            p.next = newNode(hash, key, value, null);
                            //判断链表的元素数量,如果大于8,则调用treeifyBin方法转化为红黑树
                            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;
                    }
                }
                //e不为null,说明存在一个相同的key,则需要进行value的替换,并返回旧值
                if (e != null) { // existing mapping for key
                    V oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                        e.value = value;
                    afterNodeAccess(e);
                    return oldValue;
                }
            }
            ++modCount;
            //如果插入元素后,元素个数大于threshold(阀值=数组容量*负载因子),进行扩容
            if (++size > threshold)
                resize();
            afterNodeInsertion(evict);
            return null;
        }

    在上面的代码中做了详细的注释,下面把过程概括如下

    1、判断HashMap底层存储数据的数组table是否为null或者长度为0(这里在进行table的初始化),如果是则进行扩容(第一次叫初始化);

    2、如果不是,取出要插入key在数组中索引位置的元素p,判断p是否为null,如果为null,则直接插入;

    3、如果p不为null,判断判断p和待插入数据是否相等,如果相等使用e存储p(后面会判断e是否null,如果不为null,则进行值的替换);

    4、如果不等,判断p的类型是否为TreeNode,即是否为红黑树的结构,如果是则使用红黑树的方式插入;

    5、如果不是TreeNode,则使用链表的方式插入;

    6、插入完成后更新元素的个数size,如果size大于threshold进行扩容;

    上面是put的大体过程,对于红黑树的插入,暂不做分析,下面分析下扩容函数resize,其源码如下

    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;
            //1、创建一个新的Node数组,保存数据
            @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
                Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
            table = newTab;
            //2、如果旧数组不为空,则要把元素拷贝到新数组
            if (oldTab != null) {
                //循环旧数组中的元素
                for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                    Node<K,V> e;
                    //j索引处不为null,取出给e
                    if ((e = oldTab[j]) != null) {
                        //清空j处的元素
                        oldTab[j] = null;
                        //2.1、判断e是否有后继,如果没有说明仅有一个Node元素,重新计算e中key的hash值,得到在新数组中的索引,进行插入
                        if (e.next == null)
                            newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                        //2.2.1判断e是否为TreeNode类型,如果是使用红黑树的方式
                        else if (e instanceof TreeNode)
                            ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                        //2.2.2不是红黑树的数据结构,为链表结构,进行链表结构的数据拷贝
                        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;
        }

    在上面源码中进行了详细注释,具体步骤可查看注释。

    2、get(Object key)

    get函数是使用key取出其对于的value的过程,其源码如下

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

    使用getNode函数取出Node元素,如果Node为null,则返回null,如果不为则返回其value属性值,关于Node类的构成稍后分析,先看getNode函数,

    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
            Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
            //1、判断table不为null且长度大于0,且要取的key处索引位置元素不为null
            if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
                (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
                    //2、如果第一个元素和给定的key相等则直接返回第一个元素first
                if (first.hash == hash && // always check first node
                    ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return first;
                if ((e = first.next) != null) {
                    //3.1、如果第一个元素的类型为TreeNode,使用红黑树的方式取得Node
                    if (first instanceof TreeNode)
                        return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                    //3.2、使用链表的方式取得Node
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                            return e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            return null;
        }

    在上面的代码中进行了详细注释,可参考。

    下面看下Node的结构,

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
            final int hash;
            final K key;
            V value;
            Node<K,V> next;
    
            Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
                this.hash = hash;
                this.key = key;
                this.value = value;
                this.next = next;
            }

    Node作为HashMap的静态内部类,其属性有hash、key、value、next,使用这些属性存储数据,其中key value即为我们说的hashMap中的键值对,这里使用Node进行封装。next指向下个Node的地址。

    以上对HashMap做了主要分析,后面计划对其哈希hash函数即红黑树做分析。

    有不正之处,欢迎指正!

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