Java基础：HashMap详解一

作者: IT前沿技术分享 | 来源:发表于2019-05-08 15:22 被阅读0次

前言

HashMap 在 Java 和 Android 开发中非常常见
今天，我将带来HashMap 的全部源码分析，希望你们会喜欢。

本文基于版本 JDK 1.7，即 Java 7

关于版本 JDK 1.8，即 Java 8，具体请看文章Java源码分析：关于 HashMap 1.8 的重大更新

1. 简介

类定义

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

主要介绍

image

HashMap 的实现在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 差别较大
今天，我将主要讲解 JDK 1.7 中 HashMap 的源码解析

关于 JDK 1.8 中 HashMap 的源码解析请看文章：Java源码分析：关于 HashMap 1.8 的重大更新

2. 数据结构

2.1 具体描述

HashMap 采用的数据结构 = 数组（主） + 单链表（副），具体描述如下

该数据结构方式也称：拉链法

image

2.2 示意图

image

2.3 存储流程

注：为了让大家有个感性的认识，只是简单的画出存储流程，更加详细 & 具体的存储流程会在下面源码分析中给出

image

2.4 数组元素 & 链表节点的实现类

HashMap中的数组元素 & 链表节点采用 Entry类实现，如下图所示

image

即 HashMap的本质 = 1个存储Entry类对象的数组 + 多个单链表

Entry对象本质 = 1个映射（键 - 值对），属性包括：键（key）、值（value） & 下1节点( next) = 单链表的指针 = 也是一个Entry对象，用于解决hash冲突

该类的源码分析如下

具体分析请看注释

/** 
 * Entry类实现了Map.Entry接口
 * 即 实现了getKey()、getValue()、equals(Object o)和hashCode()等方法
**/  
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;  // 键
    V value;  // 值
    Entry<K,V> next; // 指向下一个节点 ，也是一个Entry对象，从而形成解决hash冲突的单链表
    int hash;  // hash值

    /** 
     * 构造方法，创建一个Entry 
     * 参数：哈希值h，键值k，值v、下一个节点n 
     */  
    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {  
        value = v;  
        next = n;  
        key = k;  
        hash = h;  
    }  

    // 返回 与 此项 对应的键
    public final K getKey() {  
        return key;  
    }  

    // 返回 与 此项 对应的值
    public final V getValue() {  
        return value;  
    }  

    public final V setValue(V newValue) {  
        V oldValue = value;  
        value = newValue;  
        return oldValue;  
    }  

   /** 
     * equals（）
     * 作用：判断2个Entry是否相等，必须key和value都相等，才返回true  
     */ 
      public final boolean equals(Object o) {  
        if (!(o instanceof Map.Entry))  
            return false;  
        Map.Entry e = (Map.Entry)o;  
        Object k1 = getKey();  
        Object k2 = e.getKey();  
        if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {  
            Object v1 = getValue();  
            Object v2 = e.getValue();  
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))  
                return true;  
        }  
        return false;  
    }  

    /** 
     * hashCode（） 
     */ 
    public final int hashCode() { 
        return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());  
    }  

    public final String toString() {  
        return getKey() + "=" + getValue();  
    }  

    /** 
     * 当向HashMap中添加元素时，即调用put(k,v)时， 
     * 对已经在HashMap中k位置进行v的覆盖时，会调用此方法 
     * 此处没做任何处理 
     */  
    void recordAccess(HashMap<K,V> m) {  
    }  

    /** 
     * 当从HashMap中删除了一个Entry时，会调用该函数 
     * 此处没做任何处理 
     */  
    void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {  
    } 

}

3. 具体使用

3.1 主要使用API（方法、函数）

V get(Object key); // 获得指定键的值
V put(K key, V value);  // 添加键值对
void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);  // 将指定Map中的键值对 复制到 此Map中
V remove(Object key);  // 删除该键值对

boolean containsKey(Object key); // 判断是否存在该键的键值对；是 则返回true
boolean containsValue(Object value);  // 判断是否存在该值的键值对；是 则返回true

Set<K> keySet();  // 单独抽取key序列，将所有key生成一个Set
Collection<V> values();  // 单独value序列，将所有value生成一个Collection

void clear(); // 清除哈希表中的所有键值对
int size();  // 返回哈希表中所有 键值对的数量 = 数组中的键值对 + 链表中的键值对
boolean isEmpty(); // 判断HashMap是否为空；size == 0时 表示为 空

3.2 使用流程

在具体使用时，主要流程是：

声明1个 HashMap的对象
向 HashMap 添加数据（成对放入键 - 值对）
获取 HashMap 的某个数据
获取 HashMap 的全部数据：遍历HashMap

示例代码

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class HashMapTest {

    public static void main(String[] args) {
      /**
        * 1\. 声明1个 HashMap的对象
        */
        Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();

      /**
        * 2\. 向HashMap添加数据（成对 放入 键 - 值对）
        */
        map.put("Android", 1);
        map.put("Java", 2);
        map.put("iOS", 3);
        map.put("数据挖掘", 4);
        map.put("产品经理", 5);

       /**
        * 3\. 获取 HashMap 的某个数据
        */
        System.out.println("key = 产品经理时的值为：" + map.get("产品经理"));

      /**
        * 4\. 获取 HashMap 的全部数据：遍历HashMap
        * 核心思想：
        * 步骤1：获得key-value对（Entry） 或 key 或 value的Set集合
        * 步骤2：遍历上述Set集合(使用for循环 、 迭代器（Iterator）均可)
        * 方法共有3种：分别针对 key-value对（Entry） 或 key 或 value
        */

        // 方法1：获得key-value的Set集合 再遍历
        System.out.println("方法1");
        // 1\. 获得key-value对（Entry）的Set集合
        Set<Map.Entry<String, Integer>> entrySet = map.entrySet();

        // 2\. 遍历Set集合，从而获取key-value
        // 2.1 通过for循环
        for(Map.Entry<String, Integer> entry : entrySet){
            System.out.print(entry.getKey());
            System.out.println(entry.getValue());
        }
        System.out.println("----------");
        // 2.2 通过迭代器：先获得key-value对（Entry）的Iterator，再循环遍历
        Iterator iter1 = entrySet.iterator();
        while (iter1.hasNext()) {
            // 遍历时，需先获取entry，再分别获取key、value
            Map.Entry entry = (Map.Entry) iter1.next();
            System.out.print((String) entry.getKey());
            System.out.println((Integer) entry.getValue());
        }

        // 方法2：获得key的Set集合 再遍历
        System.out.println("方法2");

        // 1\. 获得key的Set集合
        Set<String> keySet = map.keySet();

        // 2\. 遍历Set集合，从而获取key，再获取value
        // 2.1 通过for循环
        for(String key : keySet){
            System.out.print(key);
            System.out.println(map.get(key));
        }

        System.out.println("----------");

        // 2.2 通过迭代器：先获得key的Iterator，再循环遍历
        Iterator iter2 = keySet.iterator();
        String key = null;
        while (iter2.hasNext()) {
            key = (String)iter2.next();
            System.out.print(key);
            System.out.println(map.get(key));
        }

        // 方法3：获得value的Set集合 再遍历
        System.out.println("方法3");

        // 1\. 获得value的Set集合
        Collection valueSet = map.values();

        // 2\. 遍历Set集合，从而获取value
        // 2.1 获得values 的Iterator
        Iterator iter3 = valueSet.iterator();
        // 2.2 通过遍历，直接获取value
        while (iter3.hasNext()) {
            System.out.println(iter3.next());
        }

    }

}

// 注：对于遍历方式，推荐使用针对 key-value对（Entry）的方式：效率高
// 原因：
   // 1\. 对于 遍历keySet 、valueSet，实质上 = 遍历了2次：1 = 转为 iterator 迭代器遍历、2 = 从 HashMap 中取出 key 的 value 操作（通过 key 值 hashCode 和 equals 索引）
   // 2\. 对于 遍历 entrySet ，实质 = 遍历了1次 = 获取存储实体Entry（存储了key 和 value ）

运行结果

方法1
Java2
iOS3
数据挖掘4
Android1
产品经理5
----------
Java2
iOS3
数据挖掘4
Android1
产品经理5
方法2
Java2
iOS3
数据挖掘4
Android1
产品经理5
----------
Java2
iOS3
数据挖掘4
Android1
产品经理5
方法3
2
3
4
1
5

下面，我们按照上述的使用过程，对一个个步骤进行源码解析

4. 基础知识：HashMap中的重要参数（变量）

在进行真正的源码分析前，先讲解HashMap中的重要参数（变量）
HashMap中的主要参数 = 容量、加载因子、扩容阈值
具体介绍如下

// 1\. 容量（capacity）： HashMap中数组的长度
// a. 容量范围：必须是2的幂 & <最大容量（2的30次方）
// b. 初始容量 = 哈希表创建时的容量
  // 默认容量 = 16 = 1<<4 = 00001中的1向左移4位 = 10000 = 十进制的2^4=16
  static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
  // 最大容量 =  2的30次方（若传入的容量过大，将被最大值替换）
  static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

// 2\. 加载因子(Load factor)：HashMap在其容量自动增加前可达到多满的一种尺度
// a. 加载因子越大、填满的元素越多 = 空间利用率高、但冲突的机会加大、查找效率变低（因为链表变长了）
// b. 加载因子越小、填满的元素越少 = 空间利用率小、冲突的机会减小、查找效率高（链表不长）
  // 实际加载因子
  final float loadFactor;
  // 默认加载因子 = 0.75
  static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 3\. 扩容阈值（threshold）：当哈希表的大小 ≥ 扩容阈值时，就会扩容哈希表（即扩充HashMap的容量） 
// a. 扩容 = 对哈希表进行resize操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数
// b. 扩容阈值 = 容量 x 加载因子
  int threshold;

// 4\. 其他
 // 存储数据的Entry类型 数组，长度 = 2的幂
 // HashMap的实现方式 = 拉链法，Entry数组上的每个元素本质上是一个单向链表
  transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;  
 // HashMap的大小，即 HashMap中存储的键值对的数量
  transient int size;

参数示意图

image

此处详细说明加载因子

image

5. 源码分析

本次的源码分析主要是根据 使用步骤 进行相关函数的详细分析
主要分析内容如下：

image

下面，我将对每个步骤内容的主要方法进行详细分析

步骤1：声明1个 HashMap的对象

/**
  * 函数使用原型
  */
  Map<String,Integer> map = new HashMap<String,Integer>();

 /**
   * 源码分析：主要是HashMap的构造函数 = 4个
   * 仅贴出关于HashMap构造函数的源码
   */
  public class HashMap<K,V>
      extends AbstractMap<K,V>
      implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{

    // 省略上节阐述的参数

  /**
     * 构造函数1：默认构造函数（无参）
     * 加载因子 & 容量 = 默认 = 0.75、16
     */
    public HashMap() {
        // 实际上是调用构造函数3：指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
        // 传入的指定容量 & 加载因子 = 默认
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR); 
    }

    /**
     * 构造函数2：指定“容量大小”的构造函数
     * 加载因子 = 默认 = 0.75 、容量 = 指定大小
     */
    public HashMap(int initialCapacity) {
        // 实际上是调用指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
        // 只是在传入的加载因子参数 = 默认加载因子
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);

    }

    /**
     * 构造函数3：指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数
     * 加载因子 & 容量 = 自己指定
     */
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {

        // HashMap的最大容量只能是MAXIMUM_CAPACITY，哪怕传入的 > 最大容量
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

        // 设置 加载因子
        this.loadFactor = loadFactor;
        // 设置 扩容阈值 = 初始容量
        // 注：此处不是真正的阈值，是为了扩展table，该阈值后面会重新计算，下面会详细讲解  
        threshold = initialCapacity;   

        init(); // 一个空方法用于未来的子对象扩展
    }

    /**
     * 构造函数4：包含“子Map”的构造函数
     * 即 构造出来的HashMap包含传入Map的映射关系
     * 加载因子 & 容量 = 默认
     */

    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {

        // 设置容量大小 & 加载因子 = 默认
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);

        // 该方法用于初始化 数组 & 阈值，下面会详细说明
        inflateTable(threshold);

        // 将传入的子Map中的全部元素逐个添加到HashMap中
        putAllForCreate(m);
    }
}

注：
1. 此处仅用于接收初始容量大小（capacity）、加载因子(Load factor)，但仍无真正初始化哈希表，即初始化存储数组table
2. 此处先给出结论：真正初始化哈希表（初始化存储数组table）是在第1次添加键值对时，即第1次调用put（）时。下面会详细说明

至此，关于HashMap的构造函数讲解完毕。

步骤2：向HashMap添加数据（成对放入键 - 值对）

添加数据的流程如下

注：为了让大家有个感性的认识，只是简单的画出存储流程，更加详细 & 具体的存储流程会在下面源码分析中给出

image

源码分析

 /**
   * 函数使用原型
   */
   map.put("Android", 1);
        map.put("Java", 2);
        map.put("iOS", 3);
        map.put("数据挖掘", 4);
        map.put("产品经理", 5);

   /**
     * 源码分析：主要分析： HashMap的put函数
     */
    public V put(K key, V value)
（分析1）// 1\. 若 哈希表未初始化（即 table为空) 
        // 则使用 构造函数时设置的阈值(即初始容量) 初始化 数组table  
        if (table == EMPTY_TABLE) { 
        inflateTable(threshold); 
    }  
        // 2\. 判断key是否为空值null
（分析2）// 2.1 若key == null，则将该键-值 存放到数组table 中的第1个位置，即table [0]
        // （本质：key = Null时，hash值 = 0，故存放到table[0]中）
        // 该位置永远只有1个value，新传进来的value会覆盖旧的value
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);

（分析3） // 2.2 若 key ≠ null，则计算存放数组 table 中的位置（下标、索引）
        // a. 根据键值key计算hash值
        int hash = hash(key);
        // b. 根据hash值 最终获得 key对应存放的数组Table中位置
        int i = indexFor(hash, table.length);

        // 3\. 判断该key对应的值是否已存在（通过遍历 以该数组元素为头结点的链表 逐个判断）
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
（分析4）// 3.1 若该key已存在（即 key-value已存在 ），则用 新value 替换 旧value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue; //并返回旧的value
            }
        }

        modCount++;

（分析5）// 3.2 若 该key不存在，则将“key-value”添加到table中
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

根据源码分析所作出的流程图

image

下面，我将根据上述流程的5个分析点进行详细讲解

分析1：初始化哈希表

即初始化数组（table）、扩容阈值（threshold）

   /**
     * 函数使用原型
     */
      if (table == EMPTY_TABLE) { 
        inflateTable(threshold); 
    }  

   /**
     * 源码分析：inflateTable(threshold); 
     */
     private void inflateTable(int toSize) {  

    // 1\. 将传入的容量大小转化为：>传入容量大小的最小的2的次幂
    // 即如果传入的是容量大小是19，那么转化后，初始化容量大小为32（即2的5次幂）
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);->>分析1   

    // 2\. 重新计算阈值 threshold = 容量 * 加载因子  
    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);  

    // 3\. 使用计算后的初始容量（已经是2的次幂） 初始化数组table（作为数组长度）
    // 即 哈希表的容量大小 = 数组大小（长度）
    table = new Entry[capacity]; //用该容量初始化table  

    initHashSeedAsNeeded(capacity);  
}  

    /**
     * 分析1：roundUpToPowerOf2(toSize)
     * 作用：将传入的容量大小转化为：>传入容量大小的最小的2的幂
     * 特别注意：容量大小必须为2的幂，该原因在下面的讲解会详细分析
     */

     private static int roundUpToPowerOf2(int number) {  

       //若 容量超过了最大值，初始化容量设置为最大值 ；否则，设置为：>传入容量大小的最小的2的次幂
       return number >= MAXIMUM_CAPACITY  ? 
            MAXIMUM_CAPACITY  : (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;

再次强调：真正初始化哈希表（初始化存储数组table）是在第1次添加键值对时，即第1次调用put（）时

分析2：当 key ==null时，将该 key-value 的存储位置规定为数组table 中的第1个位置，即table [0]

   /**
     * 函数使用原型
     */
      if (key == null)
           return putForNullKey(value);

   /**
     * 源码分析：putForNullKey(value)
     */
      private V putForNullKey(V value) {  
        // 遍历以table[0]为首的链表，寻找是否存在key==null 对应的键值对
        // 1\. 若有：则用新value 替换 旧value；同时返回旧的value值
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {  
          if (e.key == null) {   
            V oldValue = e.value;  
            e.value = value;  
            e.recordAccess(this);  
            return oldValue;  
        }  
    }  
    modCount++;  

    // 2 .若无key==null的键，那么调用addEntry（），将空键 & 对应的值封装到Entry中，并放到table[0]中
    addEntry(0, null, value, 0); 
    // 注：
    // a. addEntry（）的第1个参数 = hash值 = 传入0
    // b. 即 说明：当key = null时，也有hash值 = 0，所以HashMap的key 可为null
    // c. 对比HashTable，由于HashTable对key直接hashCode（），若key为null时，会抛出异常，所以HashTable的key不可为null
    // d. 此处只需知道是将 key-value 添加到HashMap中即可，关于addEntry（）的源码分析将等到下面再详细说明，
    return null;  

}

从此处可以看出：

HashMap的键key 可为null（区别于 HashTable的key 不可为null）
HashMap的键key 可为null且只能为1个，但值value可为null且为多个

分析3：计算存放数组 table 中的位置（即数组下标 or 索引）

   /**
     * 函数使用原型
     * 主要分为2步：计算hash值、根据hash值再计算得出最后数组位置
     */
        // a. 根据键值key计算hash值 ->> 分析1
        int hash = hash(key);
        // b. 根据hash值 最终获得 key对应存放的数组Table中位置 ->> 分析2
        int i = indexFor(hash, table.length);

   /**
     * 源码分析1：hash(key)
     * 该函数在JDK 1.7 和 1.8 中的实现不同，但原理一样 = 扰动函数 = 使得根据key生成的哈希码（hash值）分布更加均匀、更具备随机性，避免出现hash值冲突（即指不同key但生成同1个hash值）
     * JDK 1.7 做了9次扰动处理 = 4次位运算 + 5次异或运算
     * JDK 1.8 简化了扰动函数 = 只做了2次扰动 = 1次位运算 + 1次异或运算
     */

     // JDK 1.7实现：将 键key 转换成 哈希码（hash值）操作  = 使用hashCode() + 4次位运算 + 5次异或运算（9次扰动）
     static final int hash(int h) {
        h ^= k.hashCode(); 
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
     }

      // JDK 1.8实现：将 键key 转换成 哈希码（hash值）操作 = 使用hashCode() + 1次位运算 + 1次异或运算（2次扰动）
      // 1\. 取hashCode值： h = key.hashCode() 
     //  2\. 高位参与低位的运算：h ^ (h >>> 16)  
      static final int hash(Object key) {
           int h;
            return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
            // a. 当key = null时，hash值 = 0，所以HashMap的key 可为null      
            // 注：对比HashTable，HashTable对key直接hashCode（），若key为null时，会抛出异常，所以HashTable的key不可为null
            // b. 当key ≠ null时，则通过先计算出 key的 hashCode()（记为h），然后 对哈希码进行 扰动处理： 按位 异或（^） 哈希码自身右移16位后的二进制
     }

   /**
     * 函数源码分析2：indexFor(hash, table.length)
     * JDK 1.8中实际上无该函数，但原理相同，即具备类似作用的函数
     */
      static int indexFor(int h, int length) {  
          return h & (length-1); 
          // 将对哈希码扰动处理后的结果 与运算(&) （数组长度-1），最终得到存储在数组table的位置（即数组下标、索引）
}

总结计算存放在数组 table 中的位置（即数组下标、索引）的过程

image

————————————————————————————————
作者：Carson_Ho
链接：https://www.jianshu.com/p/e5c8a814c0ca

Java基础：HashMap详解一

前言

目录

1. 简介

2. 数据结构

2.1 具体描述

2.2 示意图

2.3 存储流程

2.4 数组元素 & 链表节点的实现类

3. 具体使用

3.1 主要使用API（方法、函数）

3.2 使用流程

4. 基础知识：HashMap中的重要参数（变量）

5. 源码分析

步骤1：声明1个 HashMap的对象

步骤2：向HashMap添加数据（成对放入键 - 值对）

分析1：初始化哈希表

分析2：当 key ==null时，将该 key-value 的存储位置规定为数组table 中的第1个位置，即table [0]

分析3：计算存放数组 table 中的位置（即数组下标 or 索引）

总结计算存放在数组 table 中的位置（即数组下标、索引）的过程

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3. 具体使用

3.1 主要使用API（方法、函数）

3.2 使用流程

4. 基础知识：HashMap中的重要参数（变量）

5. 源码分析

步骤1：声明1个 HashMap的对象

步骤2：向HashMap添加数据（成对 放入 键 - 值对）

分析1：初始化哈希表

分析2：当 key ==null时，将该 key-value 的存储位置规定为数组table 中的第1个位置，即table [0]

分析3：计算存放数组 table 中的位置（即 数组下标 or 索引）

总结 计算存放在数组 table 中的位置（即数组下标、索引）的过程

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