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HashMap原理

HashMap原理

作者: leap_ | 来源:发表于2020-01-03 19:37 被阅读0次
    本文参考:

    HashMap的扩容机制---resize()
    HashMap的扩容及树化过程

    HashMap的内部是使用Hash表来存储数据的;


    Hash表

    Hash表是数组和链表的组合,存储的数据会放在粉色节点中

    概念介绍:

    • 数组
        transient Node<K,V>[] table;
    
    • Node
        static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
            final int hash;
            final K key;
            V value;
            Node<K,V> next;
    ......
        }
    
    • size:实际数据量(已存放的K,V的数量)
        /**
         * The number of key-value mappings contained in this map.
         */
        transient int size;
    
    • loadFactor:负载因子,描述HashMap满的程度,默认0.75
        /*
         * The load factor for the hash table
         */
        final float loadFactor;
    
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    
    • threshold,门阀,到了这个值会进行resize()
        /**
         * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
         *
         * @serial
         */
        // (The javadoc description is true upon serialization.
        // Additionally, if the table array has not been allocated, this
        // field holds the initial array capacity, or zero signifying
        // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY.)
        int threshold;
    

    put()

        public V put(K key, V value) {
            return putVal(hash(key), key, value, false, true);
        }
    
        static final int hash(Object key) {
            int h;
            return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
        }
    
    //   传入 key value key的hashcode 
        final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                       boolean evict) {
            Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
            if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                n = (tab = resize()).length;
            if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    //  因为是新建的数组,所以肯定是空的,直接放到数组中
                tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
            else {
    // 如果当前数组下标不会空,就以当前元素为头节点,放到链表中
                Node<K,V> e; K k;
                if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    e = p;
                else if (p instanceof TreeNode)
                    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                else {
                    for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                        if ((e = p.next) == null) {
                            p.next = newNode(hash, key, value, null);
                            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;
                    }
                }
                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size超过了threshold也要进行resize()
            if (++size > threshold)
                resize();
            afterNodeInsertion(evict);
            return null;
        }
    

    第一次添加数据table == null , 调用resize()

    resize() —— 新建数组

        final Node<K,V>[] resize() {
    ......
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;  //  数组默认大小 16 
            Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    ......
        }
    

    创建一个新的默认大小是16的数组;然后回到putVal(),因为是新建的数组,所以肯定是空的,直接放到数组中;如果当前数组下标不会空,就以当前元素为头节点,放到链表中,如果size超过了threshold也要进行resize()

    resize() —— 数组扩容

        final Node<K,V>[] resize() {
    ......
                newCap = oldCap << 1   //  16 左移一位 变 32 
                newCap = oldThr;
    //   新的数组大小是32 
                Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
            table = newTab;
    //   将老的数组元素重新放到新的数组中
            if (oldTab != null) {
                for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                    Node<K,V> e;
                    if ((e = oldTab[j]) != null) {
                        oldTab[j] = null;
                        if (e.next == null)
                            newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                        else if (e instanceof TreeNode)
                            ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                        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;
        }
    
    

    当size超过threshold时,添加的数据会大概率的碰撞(Hash冲突),导致链表的数量增加,遍历链表会降低效率,而增加数组的容量会导致大量的空间浪费,负载因子是典型的时空转化问题,用空间换时间;

    get()

    get操作先通过key获取到数组的下标index,再遍历这个链表当key等于节点的key时就取到这个值了;

    数组的查询很快是o(1),链表的查询是o(n),如果链表过长,查询就会慢,如果数组过长,可能会造成空间浪费,loadfactor默认是0.75,默认容量是16,如果元素超过threshHold(loaderfactor*capacity)就会进行resize扩容,至于为什么是0.75 和 16,hash的计算是经过位运算,0.75和16可以做到最科学的均匀分布

    HashMap树化

    链表长度大于8,数组长度大于64,就会把链表转为红黑树;

    面试相关的问题

    1. HashMap的实现,工作原理?
    2. 如果两个key的HashCode相同,会出现什么情况
    3. 数组扩容以后会出现什么问题?
    4. 为什么使用String和Integer这样的包装类作为key?
    5. 可以用自定义的类作为key吗?
    6. 如果HashMap的数量超过负载因子的大小会干什么?

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