数据结构解析-HashMap

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数据结构解析-HashMap

概要

HashMap在JDK1.8之前的实现方式 数组+链表,但是在JDK1.8后对HashMap进行了底层优化,改为了由 数组+链表+红黑树实现,主要的目的是提高查找效率。
|JDK版本|实现方式|节点数>=8|column3|
|-------|-------|-------|-------|
|1.8以前|数组+单向链表|数组+单向链表|数组+单向链表|
|1.8以后|数组+单向链表+红黑树|数组+红黑树|数组+单向链表|

HashMap

1.继承关系

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable 

2.常量&构造方法

//这两个是限定值 当节点数大于8时会转为红黑树存储
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
    //当节点数小于6时会转为单向链表存储
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    //红黑树最小长度为 64
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    //HashMap容量初始大小
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
    //HashMap容量极限
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    //负载因子默认大小
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    //Node是Map.Entry接口的实现类
    //在此存储数据的Node数组容量是2次幂
    //每一个Node本质都是一个单向链表
    transient Node<K,V>[] table;
    //HashMap大小,它代表HashMap保存的键值对的多少
    transient int size;
    //HashMap被改变的次数
    transient int modCount;
    //下一次HashMap扩容的大小
    int threshold;
    //存储负载因子的常量
    final float loadFactor;

   //默认的构造函数
   public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
    //指定容量大小
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
     //指定容量大小和负载因子大小
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        //指定的容量大小不可以小于0,否则将抛出IllegalArgumentException异常
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
         //判定指定的容量大小是否大于HashMap的容量极限
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
         //指定的负载因子不可以小于0或为Null,若判定成立则抛出IllegalArgumentException异常
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
         
        this.loadFactor = loadFactor;
        // 设置“HashMap阈值”,当HashMap中存储数据的数量达到threshold时,就需要将HashMap的容量加倍。
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
    //传入一个Map集合,将Map集合中元素Map.Entry全部添加进HashMap实例中
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        //此构造方法主要实现了Map.putAll()
        putMapEntries(m, false);
    }

3.Node单向链表的实现

//实现了Map.Entry接口
 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;
        //构造函数
        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;
        }
        //equals属性对比
        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;
        }
    }

4.TreeNode红黑树实现

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // 红黑树的根节点
        TreeNode<K,V> left; //左树
        TreeNode<K,V> right; //右树
        TreeNode<K,V> prev;    // 上一个几点
        boolean red; //是否是红树
        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            super(hash, key, val, next);
        }

        /**
         * 根节点的实现
         */
        final TreeNode<K,V> root() {
            for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
                if ((p = r.parent) == null)
                    return r;
                r = p;
            }
        }
    ...

5.Hash的计算实现

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

延伸讲解

5.1.下面的做了一个例子讲解,经过hash函数计算后得到的key的hash值

image.png
5.2那为什么要这么做呢?直接通过key.hashCode()获取hash不得了吗?为什么在右移16位后进行异或运算?

5.2那为什么要这么做呢?直接通过key.hashCode()获取hash不得了吗?为什么在右移16位后进行异或运算?

答案 : 与HashMap的table数组下计算标有关系
我们在下面讲解的put/get函数代码块中都出现了这样一段代码

//put函数代码块中
tab[i = (n - 1) & hash]) 
//get函数代码块中
tab[(n - 1) & hash])

我们知道这段代码是根据索引得到tab中节点数据,它是如何与hash进行与运算后得到索引位置呢! 假设tab.length()=1<<4

image.png
这样做的根本原因是当发生较大碰撞时也用树形存储降低了冲突。既减少了系统的开销

HashMap.put的源码实现

public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }
 //HashMap.put的具体实现
 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        //判定table不为空并且table长度不可为0,否则将从resize函数中获取
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
         //这样写法有点绕,其实这里就是通过索引获取table数组中的一个元素看是否为Nul
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //若判断成立,则New一个Node出来赋给table中指定索引下的这个元素
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {  //若判断不成立
            Node<K,V> e; K k;
             //对这个元素进行Hash和key值匹配
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode) //如果数组中德这个元素P是TreeNode类型
                //判定成功则在红黑树中查找符合的条件的节点并返回此节点
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else { //若以上条件均判断失败,则执行以下代码
                //向Node单向链表中添加数据
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                         //若节点数大于等于8
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            //转换为红黑树
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e; //p记录下一个节点
                }
            }
            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) //判断是否需要扩容
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

梳理以下HashMap.put函数的执行过程

1.首先获取Node数组table对象和长度,若table为null或长度为0,则调用resize()扩容方法获取table最新对象,并通过此对象获取长度大小

2.判定数组中指定索引下的节点是否为Null,若为Null 则new出一个单向链表赋给table中索引下的这个节点

3.若判定不为Null,我们的判断再做分支

3.1 首先对hash和key进行匹配,若判定成功直接赋予e
3.2 若匹配判定失败,则进行类型匹配是否为TreeNode 若判定成功则在红黑树中查找符合条件的节点并将其回传赋给e
3.3 若以上判定全部失败则进行最后操作,向单向链表中添加数据若单向链表的长度大于等于8,则将其转为红黑树保存,记录下一个节点,对e进行判定若成功则返回旧值

4.最后判定数组大小需不需要扩容

HashMap.get的源码实现

//这里直接调用getNode函数实现方法
  public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        //经过hash函数运算 获取key的hash值
        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;
        //判定三个条件 table不为Null & table的长度大于0 & table指定的索引值不为Null
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            //判定 匹配hash值 & 匹配key值 成功则返回 该值
            if (first.hash == hash && 
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
             //若 first节点的下一个节点不为Null
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode) //若first的类型为TreeNode 红黑树
                    //通过红黑树查找匹配值 并返回
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); 
                //若上面判定不成功 则认为下一个节点为单向链表,通过循环匹配值
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                       //匹配成功后返回该值
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

梳理以下HashMap.get函数的执行过程

1.判定三个条件 table不为Null & table的长度大于0 & table指定的索引值不为Null

2.判定 匹配hash值 & 匹配key值 成功则返回 该值

3.若 first节点的下一个节点不为Null

3.1 若first的类型为TreeNode 红黑树 通过红黑树查找匹配值 并返回查询值
3.2若上面判定不成功 则认为下一个节点为单向链表,通过循环匹配值

HashMap扩容原理分析

//重新设置table大小/扩容 并返回扩容的Node数组即HashMap的最新数据
final Node<K,V>[] resize() {
        Node<K,V>[] oldTab = table; //table赋予oldTab作为扩充前的table数据
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; 
        int oldThr = threshold;
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
             //判定数组是否已达到极限大小,若判定成功将不再扩容,直接将老表返回
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
            }
             //若新表大小(oldCap*2)小于数组极限大小 并且 老表大于等于数组初始化大小
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                //旧数组大小oldThr 经二进制运算向左位移1个位置 即 oldThr*2当作新数组的大小
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
        }
         //若老表中下次扩容大小oldThr大于0
        else if (oldThr > 0)
            newCap = oldThr;  //将oldThr赋予控制新表大小的newCap
        else { //若其他情况则将获取初始默认大小
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        //若新表的下表下一次扩容大小为0
        if (newThr == 0) {  
            float ft = (float)newCap * loadFactor;  //通过新表大小*负载因子获取
            newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                      (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
        }
        threshold = newThr; //下次扩容的大小
        @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
        table = newTab; //将当前表赋予table
        if (oldTab != null) { //若oldTab中有值需要通过循环将oldTab中的值保存到新表中
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {//获取老表中第j个元素 赋予e
                    oldTab[j] = null; //并将老表中的元素数据置Null
                    if (e.next == null) //若此判定成立 则代表e的下面没有节点了
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //将e直接存于新表的指定位置
                    else if (e instanceof TreeNode)  //若e是TreeNode类型
                        //分割树,将新表和旧表分割成两个树,并判断索引处节点的长度是否需要转换成红黑树放入新表存储
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order
                        Node<K,V> loHead = null, loTail = null; //存储与旧索引的相同的节点
                        Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; //存储与新索引相同的节点
                        Node<K,V> next;
                        //通过Do循环 获取新旧索引的节点
                        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);
                        //通过判定将旧数据和新数据存储到新表指定的位置
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        //返回新表
        return newTab;
    }

梳理以下HashMap.resize函数的执行过程

1.判定数组是否已达到极限大小,若判定成功将不再扩容,直接将老表返回

2.若新表大小(oldCap2)小于数组极限大小&老表大于等于数组初始化大小 判定成功则 旧数组大小oldThr 经二进制运算向左位移1个位置 即 oldThr2当作新数组的大小

2.1. 若[2]的判定不成功,则继续判定 oldThr (代表 老表的下一次扩容量)大于0,若判定成功 则将oldThr赋给newCap作为新表的容量

2.2 若 [2] 和[2.1]判定都失败,则走默认赋值 代表 表为初次创建

3.确定下一次表的扩容量, 将新表赋予当前表

4.通过for循环将老表中德值存入扩容后的新表中

4.1 获取旧表中指定索引下的Node对象 赋予e 并将旧表中的索引位置数据置空

4.2 若e的下面没有其他节点则将e直接赋到新表中的索引位置

4.3 若e的类型为TreeNode红黑树类型

4.3.1 分割树,将新表和旧表分割成两个树,并判断索引处节点的长度是否需要转换成红黑树放入新表存储

4.3.2 通过Do循环 不断获取新旧索引的节点

4.3.3 通过判定将旧数据和新数据存储到新表指定的位置

最后返回值为 扩容后的新表。

HashMap 的treeifyBin讲解

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
       //做判定 tab 为Null 或 tab的长度小于 红黑树最小容量
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            //则通过扩容,扩容table数组大小
            resize();
         //做判定 若tab索引位置下数据不为空
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            //定义两个红黑树;分别表示头部节点、尾部节点
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null; 
            //通过循环将单向链表转换为红黑树存储
            do {
                //将单向链表转换为红黑树
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null) //若头部节点为Null,则说明该树没有根节点
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl; //指向父节点
                    tl.next = p; //指向下一个节点
                }
                tl = p; //将当前节点设尾节点
            } while ((e = e.next) != null); //若下一个不为Null,则继续遍历
            //红黑树转换后,替代原位置上的单项链表
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab); //  构建红黑树,以头部节点定为根节点
        }
    }
  
   TreeNode<K,V> replacementTreeNode(Node<K,V> p, Node<K,V> next) {
        return new TreeNode<>(p.hash, p.key, p.value, next);
    }

梳理以下HashMap.treeifyBin函数的执行过程

1.做判定 tab 为Null 或 tab的长度小于红黑树最小容量, 判定成功则通过扩容,扩容table数组大小

2.做判定 若tab索引位置下数据不为空,判定成功则通过循环将单向链表转换为红黑树存储

2.1 通过Do循环将当前节点下的单向链表转换为红黑树,若下一个不为Null,则继续遍历
2.2 构建红黑树,以头部节点定为根节点