本篇分析HashMap的 hash()函数 和 底层数据结构 以及 常用方法 和 常见面试相关题目
1. HashMap简介
HashMap 是一个K，V键值对的常用集合类，它实现了Map接口。 jdk1.8 之前 HashMap 采用 数组 + 链表 的方式实现，链表存储key值冲突的数据。 jdk1.8 采用 数组 + 链表 / 红黑树 的方式实现，在满足下面两个条件之后，会执行链表转红黑树操作，以此来加快搜索速度。
- 链表长度大于阈值（默认为 8）
- HashMap 数组长度超过 64
2. HashMap底层数据结构
类的属性
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
// 默认的初始容量是16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
// 最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认的填充因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 存储元素的数组，大小总是2的幂次倍
transient Node<k,v>[] table;
// 存放具体元素的集
transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;
// 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。
transient int size;
// 每次扩容和更改map结构的计数器
transient int modCount;
// 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容
int threshold;
// 加载因子
final float loadFactor;
}
一些内部类
- EntrySet、EntryIterator、EntrySpliterator 键值Set 迭代器 分离器s
- KeySet、KeyIterator、KeySpliterator 键Set 迭代器 分离器
- Values、ValueIterator、ValueSpliterator 值Set 迭代器 分离器
使用
public class TestMap {
public static void main(String[] args) {
HashMap<String, String> test = new HashMap<>();
System.out.println(test.size());
test.put("A","AAA");
test.put("B","BBB");
test.put("C","CCC");
test.put("D","DDD");
test.put("E","EEE");
Iterator<Map.Entry<String, String>> iterator = test.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()){
System.out.println(iterator.next());
}
Iterator<String> iterator1 = test.keySet().iterator();
while (iterator1.hasNext()){
System.out.println(iterator1.next());
}
Spliterator<String> spliterator = test.values().spliterator();
System.out.println(spliterator.estimateSize());
spliterator.forEachRemaining(System.out::println);
System.out.println(test.size());
}
}
Node节点类
static class Node<K, V> implements Entry<K, V> {
final int hash; //hash值，存放元素时用来与其他元素的hash值进行比较。
final K key; // 键 key 唯一 一个key 一个 value 允许有一个 key为 null
V value; // 值
HashMap.Node<K, V> next; //指向下一个Node
Node(int var1, K var2, V var3, HashMap.Node<K, V> var4) {
this.hash = var1;
this.key = var2;
this.value = var3;
this.next = var4;
}
public final K getKey() {
return this.key;
}
public final V getValue() {
return this.value;
}
public final String toString() {
return this.key + "=" + this.value;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(this.key) ^ Objects.hashCode(this.value);
}
public final V setValue(V var1) {
Object var2 = this.value;
this.value = var1;
return var2;
}
public final boolean equals(Object var1) {
if (var1 == this) {
return true;
} else {
if (var1 instanceof Entry) {
Entry var2 = (Entry)var1;
if (Objects.equals(this.key, var2.getKey()) && Objects.equals(this.value, var2.getValue())) {
return true;
}
}
return false;
}
}
}
TreeNode源码
// 一些方法这里就不贴了
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // 红黑树 父节点
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // 删除后需要取消链接
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
}
数组+链表
Node<k,v>[] table
数组+红黑树
3.HashMap常用方法
构造函数
/**
* 构造一个具有指定初始容量和负载因子的空HashMap 。
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//如果初始化大小小于0，抛出异常
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
//HashMap 中table的最大值为2^30 如果初始化大小大于2^30，则为2^30
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);
}
/**
* 自定义初始容量 使用默认加载因子（0.75）构造一个空的HashMap 。
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 使用默认的初始容量（16）和默认的加载因子（0.75）构造一个空的HashMap 。
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
-
填装因子:loadFactor 表示填装因子的大小，简单的介绍一下填装因子：假设数组大小为16，每个放到数组中的元素mod 9，所有元素取模后放的位置是（0–9） 此时填装因子的大小为 9/16 ,装填因子就为0.75啦。
-
HashMap初始化过程就是新建一个大小为capacity，类型为Node的数组，Node上面已经介绍过这个类，包含一个指针一个key，一个value，和一个hash。capacity是2的次幂，至于为什么是2的次幂后面会有介绍的。
hash函数
static final int hash(Object key) {
int h;
//用 key 的 hashCode 高16位 与 低16位 进行 异或运算 结果放在低16位
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
因为hashmap的 put 和 get 都要将 key 经过hash函数处理之后 与 数组大小 length -1 进行与运算，而数组的大小通常不会超过2^16，所以始终是低16位参与运算，所以将key的hashCode的高16位与低16位进行异或运算，得到的值会更具有散列的特性。
put 函数
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 长度为 0 进行扩容
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 确定存放的下标，如果此时为null，则新生Node 放入当前数组下标的位置。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
//数组当前位置已存在元素
else {
Node<K,V> e; K k;
//数组当前位置p 的hash 与要插入元素的hash相等 且 key 相等
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//当前位置p 赋值给 e
e = p;
// hash值不等，即key不等，p为红黑树节点
else if (p instanceof TreeNode)
//插入红黑树
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
//为链表节点
else {
//在链表节点最末端插入
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//插入最末端
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//结点数量达到阈值(默认为 8 )，执行 treeifyBin 方法
// 这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。
// 只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，否则就是只是对数组扩容。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//找到了key 值一样的节点 跳出循环 修改value
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 找到key值、hash值与插入元素相等的结点
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
//修改旧值
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
//返回旧值
return oldValue;
}
}
//结构性修改
++modCount;
// 实际大小大于阈值则扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
- 先判断数组 table 是否为null 或者 长度为0，如果是则 resize() 扩容，否则根据 hash 确定存放的下标，如果此时数组对应位置为null，则新生Node 放入当前数组下标的位置。
- 对应位置有值，判断key是否一致，一致则直接修改value值 ，否则进行遍历在末端插入。
- 判断此时链表长度是否大于默认阈值（8），不大于则直接返回旧值，否则将链表转换为红黑树。
get函数
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) { // hash计算出的 数组位置 第一个元素存在
if (first.hash == hash && // 数组当位置的第一个元素 hash 与要取的 hash相当 且 key相等
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) { // 存在第二个元素
if (first instanceof TreeNode) // 第一个元素是一个树节点 调红黑树的取值方法
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {// 链表节点 循环遍历 找到节点相等的key 和 hash
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 没有 返回null
return null;
}
扩容 什么时候进行扩容操作？
- 数组 table 为null 或者长度为 0
- 数组中元素实际个数大于阈值 threshold 会扩容
- 链表中的长度超过了TREEIFY_THRESHOLD（8），但表长度却小于MIN_TREEIFY_CAPACITY（64）
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
//旧容量大于 0
if (oldCap > 0) {
//旧容量大于等于最大容量 阈值等于最大容量 并返回旧容量值
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//新容量 为 旧容量的2倍 且 旧容量大于默认初始化容量且小于最大容量
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // 新阈值为 旧阈值的2倍
}
else if (oldThr > 0) //旧容量小于等于0时 新容量 等于 旧阈值
newCap = oldThr;
else { // 阈值和容量 都初始化为默认值
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) {
//遍历旧数组 oldTab
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
//旧数组 j 位置置空
oldTab[j] = null;
//只有一个值，根据hash放入新数组的对应位置
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//为红黑树
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // 链表优化重hash的节点
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
//原索引
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
//原索引 + oldCap
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 原索引放到新数组 j 上
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap放到新数组 j+oldCap 上
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
小结
- 扩容是一个特别耗性能的操作，所以当使用HashMap的时候，估算map的大小，初始化的时候给一个大致的数值，避免map进行频繁的扩容。
- 负载因子是可以修改的，也可以大于1，但是不建议轻易修改。
- HashMap不是线程安全的，不要在并发环境下同时操作HashMap，建设使用ConcurrentHashMap。
- JDK1.8之前 HashMap是数组+链表的实现，JDK1.8采用数组+链表/红黑树的方式实现。
4.常见面试题
1.HashMap的底层数据结构 JDK1.8之前 数组+链表 JDK1.8之后 数组+链表/红黑树
2.HashMap的工作原理 HashMap底层是数组+链表，由Node内部类实现，通过put方法存放、get方法获取数据。
存储数据时，将K，V键值传给put方法
- 调用hash(K)方法，计算K的hash值，hash&(n-1)计算此时应放的数组下标。
- 判断当前数组位置是否有值，没有则直接插入，有值则判断他们的key是否相等，相等则修改它的值。
- 否则，判断当前节点是红黑树还是链表，若是链表则遍历，在末端插入元素，若存在key相等的节点，则修改它的值，若是红黑树则遍历红黑树并插入元素
- 判断插入链表后，链表的长度是否大于8，如果大于且数组长度大于64，则链表转为红黑树，数组长度小于64，则数组扩容。
- 判断插入之后，HashMap实际元素的个数是否大于 capacity * loadfactor，大于会进行扩容。
获取数据时，将K值传给get方法。
- 调用 hash(K) 方法（计算 K 的 hash 值）从而获取该键值所在链表的数组下标
- 遍历链表或者红黑树，equals()方法查找相同 Node 链表中 K 值对应的 V 值。
3.HashMap 的底层数组长度为何总是2的n次方
- 数据分布均匀，减少hash碰撞
- 当长度n总是2的n次方时 hash&（n-1）相当于 hash%n-1，即相当于取模运算，而且在速度、效率上比直接取模要快得多
4.HashMap允许空键空值么 HashMap允许Key有一个为null，允许多个Value为null
5.HashMap线程安全方面会出现什么问题 JDK1.7 扩容会出现循环链或数据丢失 JDK1.8 put会出现数据覆盖
参考链接
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