一、HashMap概述:HashMap是java程序員使用頻率最高的用于映射(鍵值對(duì))處理的數(shù)據(jù)類型。隨著JDK(Java Developmet Kit)版本的更新,JDK1.8對(duì)HashMap底層的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化,采用數(shù)組+鏈表+紅黑樹(shù)實(shí)現(xiàn),當(dāng)鏈表長(zhǎng)度超過(guò)閾值(8)時(shí),將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹(shù),這樣大大減少了查找時(shí)間。
二、HashMap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
說(shuō)明:上圖很形象的展示了HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(數(shù)組+鏈表+紅黑樹(shù)),桶中的結(jié)構(gòu)可能是鏈表,也可能是紅黑樹(shù),紅黑樹(shù)的引入是為了提高效率。
三、HashMap源碼分析:
3.1類的繼承關(guān)系
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable 可以看到HashMap繼承自父類(AbstractMap),實(shí)現(xiàn)了Map、Cloneable、Serializable接口。其中,Map接口定義了一組通用的操作;Cloneable接口則表示可以進(jìn)行拷貝,在HashMap中,實(shí)現(xiàn)的是淺層次拷貝,即對(duì)拷貝對(duì)象的改變會(huì)影響被拷貝的對(duì)象;Serializable接口表示HashMap實(shí)現(xiàn)了序列化,即可以將HashMap對(duì)象保存至本地,之后可以恢復(fù)狀態(tài)。
3.2 類的屬性
// 默認(rèn)的初始容量是16static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 最大容量static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 默認(rèn)的填充因子static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;// 當(dāng)桶(bucket)上的結(jié)點(diǎn)數(shù)大于這個(gè)值時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)成紅黑樹(shù)static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 當(dāng)桶(bucket)上的結(jié)點(diǎn)數(shù)小于這個(gè)值時(shí)樹(shù)轉(zhuǎn)鏈表static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;// 桶中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為紅黑樹(shù)對(duì)應(yīng)的table的最小大小static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;// 存儲(chǔ)元素的數(shù)組,總是2的冪次倍transient Node<k,v>[] table; // 存放具體元素的集,用于迭代元素transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;// 存放元素的個(gè)數(shù),注意這個(gè)不等于數(shù)組的長(zhǎng)度。transient int size;// 每次擴(kuò)容和更改map結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)器transient int modCount; // 臨界值 當(dāng)實(shí)際大小(容量*填充因子)超過(guò)臨界值時(shí),會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容int threshold;// 填充因子final float loadFactor;3.3 Node鏈表的實(shí)現(xiàn)
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; } 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; } 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; }} 可以看到,node中包含一個(gè)next變量,這個(gè)就是鏈表的關(guān)鍵點(diǎn),hash結(jié)果相同的元素就是通過(guò)這個(gè)next進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。
3.4 TreeNode紅黑樹(shù)的實(shí)現(xiàn)
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> { TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links TreeNode<K,V> left; TreeNode<K,V> right; TreeNode<K,V> PRev; // needed to unlink next upon deletion boolean red; TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) { super(hash, key, val, next); }...... }紅黑樹(shù)比鏈表多了四個(gè)變量,parent父節(jié)點(diǎn)、left左節(jié)點(diǎn)、right右節(jié)點(diǎn)、prev上一個(gè)同級(jí)節(jié)點(diǎn),紅黑樹(shù)內(nèi)容較多,有興趣的可以自行百度,不在贅述。
3.5 構(gòu)造函數(shù)
(1) HashMap(int, float)型構(gòu)造函數(shù)
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { // 初始容量不能小于0,否則報(bào)錯(cuò) if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); // 初始容量不能大于最大值,否則為最大值 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // 填充因子不能小于或等于0,不能為非數(shù)字 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); // 初始化填充因子 this.loadFactor = loadFactor; // 初始化threshold大小 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); }說(shuō)明:tableSizeFor(initialCapacity)返回大于initialCapacity的最小的二次冪數(shù)值。
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;}這里又涉及到一個(gè)算法,通過(guò)給定的大小cap,計(jì)算大于等于cap的最小的2的冪數(shù)。連續(xù)5次右移運(yùn)算乍一看沒(méi)有什么意思,但仔細(xì)一想2進(jìn)制都是0和1啊,這就有問(wèn)題了,第一次右移一位,就表示但凡是1的位置右邊的一位都變成了1,第二次右移兩位,上次已經(jīng)把有1的位置都變成連續(xù)兩個(gè)1了,是不是感覺(jué)很神奇,如此下來(lái)5次運(yùn)算正好將int的32位都轉(zhuǎn)了個(gè)遍,以最高的一個(gè)1的位置為基準(zhǔn)將后面所有位數(shù)都變?yōu)?,然后在進(jìn)行n+1,不就變成了2的冪數(shù)。這里還有一點(diǎn)要注意的是第一行的cap-1,這是因?yàn)槿绻鹀ap本身就是2的冪數(shù),會(huì)出現(xiàn)結(jié)果是cap的2倍的情況,會(huì)浪費(fèi)空間。
(2) HashMap(int)型構(gòu)造函數(shù)
public HashMap(int initialCapacity) { // 調(diào)用HashMap(int, float)型構(gòu)造函數(shù) this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); }(3)HashMap()型構(gòu)造函數(shù)。
public HashMap() { // 初始化填充因子 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; }(4)HashMap(Map<? extends K>)型構(gòu)造函數(shù)。
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { // 初始化填充因子 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // 將m中的所有元素添加至HashMap中 putMapEntries(m, false);}說(shuō)明:putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict)函數(shù)將m的所有元素存入本HashMap實(shí)例中。
final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) { int s = m.size(); if (s > 0) { // 判斷table是否已經(jīng)初始化 if (table == null) { // pre-size // 未初始化,s為m的實(shí)際元素個(gè)數(shù) float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F; int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ? (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY); // 計(jì)算得到的t大于閾值,則初始化閾值 if (t > threshold) threshold = tableSizeFor(t); } // 已初始化,并且m元素個(gè)數(shù)大于閾值,進(jìn)行擴(kuò)容處理 else if (s > threshold) resize(); // 將m中的所有元素添加至HashMap中 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); } }}3.6 put實(shí)現(xiàn)
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<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; // table未初始化或者長(zhǎng)度為0,進(jìn)行擴(kuò)容 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // (n - 1) & hash 確定元素存放在哪個(gè)桶中,桶為空,新生成結(jié)點(diǎn)放入桶中(此時(shí),這個(gè)結(jié)點(diǎn)是放在數(shù)組中) if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // 桶中已經(jīng)存在元素 else { Node<K,V> e; K k; // 比較桶中第一個(gè)元素(數(shù)組中的結(jié)點(diǎn))的hash值相等,key相等 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 將第一個(gè)元素賦值給e,用e來(lái)記錄 e = p; // hash值不相等,即key不相等;為紅黑樹(shù)結(jié)點(diǎn) else if (p instanceof TreeNode) // 放入樹(shù)中 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); // 為鏈表結(jié)點(diǎn) else { // 在鏈表最末插入結(jié)點(diǎn) for (int binCount = 0; ; ++binCount) { // 到達(dá)鏈表的尾部 if ((e = p.next) == null) { // 在尾部插入新結(jié)點(diǎn) p.next = newNode(hash, key, value, null); // 結(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到閾值,轉(zhuǎn)化為紅黑樹(shù) if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st treeifyBin(tab, hash); // 跳出循環(huán) break; } // 判斷鏈表中結(jié)點(diǎn)的key值與插入的元素的key值是否相等 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 相等,跳出循環(huán) break; // 用于遍歷桶中的鏈表,與前面的e = p.next組合,可以遍歷鏈表 p = e; } } // 表示在桶中找到key值、hash值與插入元素相等的結(jié)點(diǎn) if (e != null) { // 記錄e的value V oldValue = e.value; // onlyIfAbsent為false或者舊值為null if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //用新值替換舊值 e.value = value; // 訪問(wèn)后回調(diào) afterNodeaccess(e); // 返回舊值 return oldValue; } } // 結(jié)構(gòu)性修改 ++modCount; // 實(shí)際大小大于閾值則擴(kuò)容 if (++size > threshold) resize(); // 插入后回調(diào) afterNodeInsertion(evict); return null;}final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) { //將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹(shù) int n, index; Node<K,V> e; if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) //如果map的容量小于64(默認(rèn)值),會(huì)調(diào)用resize擴(kuò)容,不會(huì)轉(zhuǎn)換為紅黑樹(shù) 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); //Node轉(zhuǎn)換為TreeNode 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); //調(diào)用TreeNode的樹(shù)排序方法 }}這里重點(diǎn)說(shuō)兩點(diǎn):
索引的計(jì)算:在計(jì)算索引時(shí),這個(gè)值必須在[0,length]這個(gè)左閉右開(kāi)的區(qū)間中,基于這個(gè)條件,比如默認(rèn)的table長(zhǎng)度為16,代入公式 (n 1) & hash,結(jié)果必然是存在于[0,length]區(qū)間范圍內(nèi)。這里還有個(gè)小技巧,在容量一定是2^n的情況下,h & (length 1) == h % length,這里之所以使用位運(yùn)算,我想也是因?yàn)槲贿\(yùn)算直接由計(jì)算機(jī)處理,效率要高過(guò)%運(yùn)算。
轉(zhuǎn)化紅黑樹(shù):在put方法中,邏輯是鏈表長(zhǎng)度大于(TREEIFY_THRESHOLD -1)時(shí),就轉(zhuǎn)化為紅黑樹(shù), 實(shí)際情況這只是初步判斷,在轉(zhuǎn)化的方法treeifyBin()方法中會(huì)進(jìn)行二次校驗(yàn),當(dāng)tab.length
3.7 HashMap中使用的hash算法
static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}這個(gè)hash先將key右移了16位,然后與key進(jìn)行異或。由于 int 只有 32 位,無(wú)符號(hào)右移 16 位相當(dāng)于把高位的一半移到低位:
舉個(gè)栗子:
這樣可以避免只靠低位數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算哈希時(shí)導(dǎo)致的沖突,計(jì)算結(jié)果由高低位結(jié)合決定,可以避免哈希值分布不均勻。而且,采用位運(yùn)算效率更高。
這里還涉及到put方法中的另一次&操作,
tab[i = (n - 1) & hash]tab既是table,n是map集合的容量大小,hash是上面方法的返回值。因?yàn)橥ǔB暶鱩ap集合時(shí)不會(huì)指定大小,或者初始化的時(shí)候就創(chuàng)建一個(gè)容量很大的map對(duì)象,所以這個(gè)通過(guò)容量大小與key值進(jìn)行hash的算法在開(kāi)始的時(shí)候只會(huì)對(duì)低位進(jìn)行計(jì)算,雖然容量的2進(jìn)制高位一開(kāi)始都是0,但是key的2進(jìn)制高位通常是有值的,因此先在hash方法中將key的hashCode右移16位在與自身異或,使得高位也可以參與hash,更大程度上減少了碰撞率。
3.8 resize實(shí)現(xiàn)
final Node<K,V>[] resize() { Node<K,V>[] oldTab = table; int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // 獲取原HashMap數(shù)組的長(zhǎng)度。 int oldThr = threshold; // 擴(kuò)容臨界值 int newCap, newThr = 0; if (oldCap > 0) { // 超過(guò)最大值就不再擴(kuò)充了 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 沒(méi)超過(guò)最大值,就擴(kuò)充為原來(lái)的2倍 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); } // 計(jì)算新的resize上限 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; // 遍歷桶,然后對(duì)桶中的每個(gè)元素進(jìn)行重新hash if (oldTab != null) { for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; // 原table地址釋放 // 單節(jié)點(diǎn)處理 if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; // 重新hash放入新table中 // 紅黑樹(shù)處理 else if (e instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order // 長(zhǎng)鏈表處理 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do { next = e.next; // 新表是舊表的兩倍容量,以下把單鏈表拆分為高位鏈表、低位鏈表 if ((e.hash & oldCap) == 0) { // 低位鏈表,注意與的對(duì)象是oldCap,而不是 oldCap-1 if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else { // 高位鏈表 if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); // 低位鏈表保持原索引放入新table中 if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } // 高位鏈表放入新table中,索引=原索引+oldCap if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab;}從resize() 的實(shí)現(xiàn)中可以看出,在擴(kuò)容時(shí),針對(duì)table,如果桶的位置是單節(jié)點(diǎn)鏈表,那么index =(hash & (newTab.length - 1)),直接放入新表。紅黑樹(shù)另外處理。若是多節(jié)點(diǎn)鏈表,會(huì)產(chǎn)生高低和低位鏈表,即:hash & length=0為低位鏈表、hash & length=length為高位鏈表。低位鏈表保持原索引放入新table中,高位鏈表index=oldTab.index + oldTab.length = hash & (newTab.length-1)。
為什么要分高低位鏈表?,試想若是全部都使用index =(hash & (newTab.length - 1))計(jì)算,此時(shí)因?yàn)槭腔谙聵?biāo)存儲(chǔ),從而導(dǎo)致在index沖突的情況下,多元素鏈表的追加出現(xiàn)額外的時(shí)間(尋址等)或空間(輔助參數(shù)、結(jié)構(gòu)等)上的開(kāi)銷。分高低位鏈表,相比先保存好數(shù)據(jù)再尋找追加效率更好,也是極好的優(yōu)化技巧。
3.9 get實(shí)現(xiàn)
public V get(Object key) { Node<K,V> e; return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;}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) { // 直接命中 if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; // 未命中 if ((e = first.next) != null) { // 在樹(shù)中查找 if (first instanceof TreeNode) return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); // 在鏈表中查找 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null;}4.0 remove實(shí)現(xiàn)
public V remove(Object key) { Node<K,V> e; return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ? null : e.value;}final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value, boolean matchValue, boolean movable) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index; if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { Node<K,V> node = null, e; K k; V v; // 直接命中 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) node = p; else if ((e = p.next) != null) { // 紅黑樹(shù)中查找 if (p instanceof TreeNode) node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key); else { // 鏈表中查找 do { if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) { node = e; break; } p = e; } while ((e = e.next) != null); } } // 命中后刪除 if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value || (value != null && value.equals(v)))) { if (node instanceof TreeNode) ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable); else if (node == p) tab[index] = node.next; // 鏈表首元素刪除 else p.next = node.next; //多元素鏈表節(jié)點(diǎn)刪除 ++modCount; --size; afterNodeRemoval(node); return node; } } return null;}4.1 containsKey實(shí)現(xiàn)
public boolean containsKey(Object key) { return getNode(hash(key), key) != null; }4.2 containsValue實(shí)現(xiàn)
public boolean containsValue(Object value) { Node<K,V>[] tab; V v; if ((tab = table) != null && size > 0) { // table遍歷 for (int i = 0; i < tab.length; ++i) { // 多元素鏈表遍歷 for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) { if ((v = e.value) == value || (value != null && value.equals(v))) return true; } } } return false;}四、總結(jié):
(1) 為什么需要負(fù)載因子?
加載因子存在的原因,還是因?yàn)橐獪p緩哈希沖突,例如:默認(rèn)初始桶為16,或等到滿16個(gè)元素才擴(kuò)容,某些桶里可能就會(huì)有多個(gè)元素了。所以加載因子默認(rèn)為0.75,也就是說(shuō)大小為16的HashMap,擴(kuò)容臨界值threshold=0.75*16=12,到了第13個(gè)元素,就會(huì)擴(kuò)容成32。
(2) 加載因子減小?
在構(gòu)造函數(shù)里,設(shè)定小一點(diǎn)的加載因子,比如0.5,甚至0.25。若是一個(gè)長(zhǎng)期存在的Map,并且key不固定,那可以適當(dāng)加大初始大小,同時(shí)減少加載因子,降低沖突的機(jī)率,也能減少尋址的時(shí)間。用空間來(lái)?yè)Q時(shí)間,這時(shí)也是值得的。
(3) 初始化時(shí)是否定義容量?
通過(guò)以上源碼分析,每次擴(kuò)容都需要重創(chuàng)建桶數(shù)組、鏈表、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等,所以擴(kuò)容成本還是挺高的,若初始化時(shí)能設(shè)置準(zhǔn)確或預(yù)估出需要的容量,即使大一點(diǎn),用空間來(lái)?yè)Q時(shí)間,有時(shí)也是值得的。
(4) String型的Key設(shè)計(jì)優(yōu)化?
如果無(wú)法保證無(wú)沖突而且能用==來(lái)對(duì)比,那就盡量搞短點(diǎn),試想一個(gè)個(gè)字符的equals都是需要花時(shí)間的。順序型的Key,如:k1、k2、k3...k50,這種key的hashCode是數(shù)字遞增,沖突的可能性實(shí)在太小。
for(int i=0;i<100;i++){ System.out.println(key+".hashCode="+key.hashCode());}結(jié)果:K0.hashCode = 2373K1.hashCode = 2374K2.hashCode = 2375K3.hashCode = 2376K4.hashCode = 2377... ...
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