Java 8之HashMap理解

简介

HashMap在工作中使用频率最高的用于映射(键值对)处理的数据类型。本文主要通过JDK1.8版本，深入探讨HashMap的结构实现和功能原理。

 

功能实现

 

JDK1.8版本中HashMap是数组+链表+红黑树实现的。

由于HashMap就是使用哈希表来存储的，当两个hash值算出同一个index时，就出现了“hash冲突”——两个键值对要被插在同一个bucket里了。

常见解法有两种：

①开放式hash map：用一个bucket数组作为骨干，然后每个bucket上挂着一个链表来存放hash一样的键值对。有变种不用链表而用例如说二叉树的，反正只要是“开放”的、可以添加元素的数据结构就行；

②封闭式hash map：bucket数组就是主体了，冲突的话就线性向后在数组里找下一个空的bucket插入；查找操作亦然。java.util.HashMap用的是开放式设计。Hash冲突越多越影响访问效率，所以要尽量避免。

 

下面具体来看看如何实现的

首先需要清楚HashMap数据底层具体存储的是什么?

根据源码，HashMap类中有一个字段， Node[] table字段，即哈希桶数组，明显它是一个Node的数组。

 

 

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我们来看Node是什么。

 

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;

        }

从源码可以看出：Node是HashMap的一个内部类，实现了Map.Entry接口，本质是就是一个映射(键值对)。当我们通过hashMap.put(key，value);时，Node存储的就是我们put的k-v键值对。

 

确定哈希桶数组索引位置

 

static final int hash(Object key) {

        int h;

        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);

    }

     // h = key.hashCode() : 取hashCode值

     // h ^ (h >>> 16) :高位参与运算

    //tab[i = (n - 1) & hash]: 取模运算【这段代码是在下面的put（）方法里面】

put()方法

 

当我们通过下面的代码添加值的时候

 

Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();

        map.put("key1", "value2");

        map.put("key2", "value2");

具体会由HashMap的put()方法进行处理，下面就是HashMap的put()方法源码

 

  public V put(K key, V value) {

 // 对key的hashCode()做hash

        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;

 

      // ①：tab为空或者tab长度为0

        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)

 

      //执行resize()进行扩容

            n = (tab = resize()).length;

 

      // ②：根据键值key计算hash值得到插入的哈希数组索引i，并对null做处理 

        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)

 

      //null的话说明tab中index位置没有node，那么就可以直接创建node添加到数组中

            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

        else {

            Node<K,V> e; K k;

 

            // ③：节点key存在，直接覆盖value

            if (p.hash == hash &&

                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

 

              //覆盖value

                e = p;

 

         // ④：判断该链表为红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对

            else if (p instanceof TreeNode)

                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

            else {

 

      // ⑤该链为链表则遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，

          //在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；

        //遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可

                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {

                    if ((e = p.next) == null) {

                        p.next = newNode(hash, key, value, null);

 

                    //链表长度大于8转换为红黑树进行处理

                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st

                            treeifyBin(tab, hash);

                        break;

                    }

 

                      //遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可

                    if (e.hash == hash &&

                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                        break;

                    p = e;

                }

            }

            if (e != null) { // existing mapping for key

                V oldValue = e.value;

                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)

                    e.value = value;

                afterNodeAccess(e);

                return oldValue;

            }

        }

        ++modCount;

 

      // ⑥：超过最大容量 就扩容

        if (++size > threshold)

            resize();

        afterNodeInsertion(evict);

        return null;

    }

 

 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

从上面的源码可以总结出HashMap的put()方法的执行流程：

①.判断哈希桶数组table[i]是否为空或length为0，否则执行resize()进行扩容；

 

②.根据键值key计算hash值得到插入的哈希数组索引i，如果table[i]==null，直接新建节点添加，转向⑥，如果table[i]不为空，转向③；

 

③.判断table[i]的元素，也就是Node节点中的hash值是否与要添加的key的hash值相等，并且Node节点中的key与要添加的key是否相等，也就是是hashCode以及equals，如果相同直接覆盖value，如果仅仅是hash值一样，key不一样，那么转向④；

 

④.判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中插入键值对，否则转向⑤；

 

⑤.遍历table[i]，判断链表长度是否大于8，大于8的话把链表转换为红黑树，在红黑树中执行插入操作，否则进行链表的插入操作；遍历过程中若发现key已经存在直接覆盖value即可；

 

⑥.插入成功后，判断实际存在的键值对数量size是否超多了最大容量threshold，如果超过，进行扩容。

 

get()方法

 

 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;

 

        //①tab不为空并且tab.length不为0，tab[i]也不为空

        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&

            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

 

          //如果hash和key都一样，直接从哈希数组桶中获取value值

            if (first.hash == hash && // always check first node

                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                return first;

 

          //②如果hash一样，但是key不一样，则从红黑树或者链表中查找

            if ((e = first.next) != null) {

              //如果是红黑树，则到红黑树中查找

                if (first instanceof TreeNode)

                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

                do {

                  //从链表中循环迭代查找

                    if (e.hash == hash &&

                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                        return e;

                } while ((e = e.next) != null);

            }

        }

        return null;

    }

从上面的源码可以总结出HashMap的get()方法的执行流程：

①.判断哈希桶数组tab[i]是否为空或length为0，根据键值key计算hash值得到查找的哈希数组索引i，如果tab[i]==null，转向⑤；否则转向②

 

②.判断tab[i]的元素，也就是Node节点中的hash值是否与要查找的key的hash值相等，并且Node节点中的key与要查找的key是否相等，也就是hashCode以及equals，如果相同则return node<k,v>，如果仅仅是hash值一样，key不一样，那么转向③；

 

③.判断table[i] 是否为treeNode，即table[i] 是否是红黑树，如果是红黑树，则直接在树中查找键值对，否则转向④；

 

④从链表中查找，首先遍历tab[i]，根据hashCode以及equals查找到Node<k,v>；如果查不到转向⑤；

 

⑤.如果查不到return null。