Java基础：HashMap详解二

作者: IT前沿技术分享 | 来源:发表于2019-05-08 15:25 被阅读0次

前言

承接前文，继续来。

在了解如何计算存放数组table 中的位置后，所谓 知其然而需知其所以然，下面我将讲解为什么要这样计算，即主要解答以下3个问题：

为什么不直接采用经过hashCode（）处理的哈希码作为存储数组table的下标位置？
为什么采用哈希码 与运算(&) （数组长度-1）计算数组下标？
为什么在计算数组下标前，需对哈希码进行二次处理：扰动处理？

在回答这3个问题前，请大家记住一个核心思想：

所有处理的根本目的，都是为了提高存储key-value的数组下标位置的随机性 & 分布均匀性，尽量避免出现hash值冲突。即：对于不同key，存储的数组下标位置要尽可能不一样

问题1：为什么不直接采用经过hashCode（）处理的哈希码作为存储数组table的下标位置？

结论：容易出现哈希码与数组大小范围不匹配的情况，即计算出来的哈希码可能不在数组大小范围内，从而导致无法匹配存储位置
原因描述

image

为了解决 “哈希码与数组大小范围不匹配” 的问题，HashMap给出了解决方案：哈希码与运算（&）（数组长度-1）；请继续问题2

问题2：为什么采用哈希码与运算(&) （数组长度-1）计算数组下标？

结论：根据HashMap的容量大小（数组长度），按需取哈希码一定数量的低位作为存储的数组下标位置，从而解决 “哈希码与数组大小范围不匹配” 的问题
具体解决方案描述

image

问题3：为什么在计算数组下标前，需对哈希码进行二次处理：扰动处理？

结论：加大哈希码低位的随机性，使得分布更均匀，从而提高对应数组存储下标位置的随机性 & 均匀性，最终减少Hash冲突
具体描述

image

至此，关于怎么计算 key-value 值存储在HashMap数组位置 & 为什么要这么计算，讲解完毕。

分析4：若对应的key已存在，则使用新value 替换旧value

注：当发生 Hash冲突时，为了保证键key的唯一性哈希表并不会马上在链表中插入新数据，而是先查找该 key是否已存在，若已存在，则替换即可

   /**
     * 函数使用原型
     */
// 2\. 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;
            // 2.1 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++;

        // 2.2 若 该key不存在，则将“key-value”添加到table中
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;

此处无复杂的源码分析，但此处的分析点主要有2个：替换流程 & key是否存在（即key值的对比）

分析1：替换流程

具体如下图：

image

分析2：`key`值的比较

采用 equals（） 或 "==" 进行比较，下面给出其介绍 & 与 “==”使用的对比

image

分析5：若对应的key不存在，则将该“key-value”添加到数组table的对应位置中

函数源码分析如下

      /**
        * 函数使用原型
        */
       // 2\. 判断该key对应的值是否已存在
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            // 2.1 若该key对应的值已存在，则用新的value取代旧的value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this); 
                return oldValue; 
            }
        }

        modCount++;

        // 2.2 若 该key对应的值不存在，则将“key-value”添加到table中
        addEntry(hash, key, value, i);

   /**
     * 源码分析：addEntry(hash, key, value, i)
     * 作用：添加键值对（Entry ）到 HashMap中
     */
      void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
          // 参数3 = 插入数组table的索引位置 = 数组下标

          // 1\. 插入前，先判断容量是否足够
          // 1.1 若不足够，则进行扩容（2倍）、重新计算Hash值、重新计算存储数组下标
          if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {  
            resize(2 * table.length); // a. 扩容2倍  --> 分析1
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;  // b. 重新计算该Key对应的hash值
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);  // c. 重新计算该Key对应的hash值的存储数组下标位置
    }  

    // 1.2 若容量足够，则创建1个新的数组元素（Entry） 并放入到数组中--> 分析2
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);  
}  

 /**
   * 分析1：resize(2 * table.length)
   * 作用：当容量不足时（容量 > 阈值），则扩容（扩到2倍）
   */ 
   void resize(int newCapacity) {  

    // 1\. 保存旧数组（old table） 
    Entry[] oldTable = table;  

    // 2\. 保存旧容量（old capacity ），即数组长度
    int oldCapacity = oldTable.length; 

    // 3\. 若旧容量已经是系统默认最大容量了，那么将阈值设置成整型的最大值，退出    
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
        threshold = Integer.MAX_VALUE;  
        return;  
    }  

    // 4\. 根据新容量（2倍容量）新建1个数组，即新table  
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  

    // 5\. 将旧数组上的数据（键值对）转移到新table中，从而完成扩容 ->>分析1.1 
    transfer(newTable); 

    // 6\. 新数组table引用到HashMap的table属性上
    table = newTable;  

    // 7\. 重新设置阈值  
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); 
} 

 /**
   * 分析1.1：transfer(newTable); 
   * 作用：将旧数组上的数据（键值对）转移到新table中，从而完成扩容
   * 过程：按旧链表的正序遍历链表、在新链表的头部依次插入
   */ 
void transfer(Entry[] newTable) {
      // 1\. src引用了旧数组
      Entry[] src = table; 

      // 2\. 获取新数组的大小 = 获取新容量大小                 
      int newCapacity = newTable.length;

      // 3\. 通过遍历 旧数组，将旧数组上的数据（键值对）转移到新数组中
      for (int j = 0; j < src.length; j++) { 
          // 3.1 取得旧数组的每个元素  
          Entry<K,V> e = src[j];           
          if (e != null) {
              // 3.2 释放旧数组的对象引用（for循环后，旧数组不再引用任何对象）
              src[j] = null; 

              do { 
                  // 3.3 遍历 以该数组元素为首 的链表
                  // 注：转移链表时，因是单链表，故要保存下1个结点，否则转移后链表会断开
                  Entry<K,V> next = e.next; 
                 // 3.4 重新计算每个元素的存储位置
                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); 
                 // 3.5 将元素放在数组上：采用单链表的头插入方式 = 在链表头上存放数据 = 将数组位置的原有数据放在后1个指针、将需放入的数据放到数组位置中
                 // 即 扩容后，可能出现逆序：按旧链表的正序遍历链表、在新链表的头部依次插入
                 e.next = newTable[i]; 
                 newTable[i] = e;  
                 // 3.6 访问下1个Entry链上的元素，如此不断循环，直到遍历完该链表上的所有节点
                 e = next;             
             } while (e != null);
             // 如此不断循环，直到遍历完数组上的所有数据元素
         }
     }
 }

 /**
   * 分析2：createEntry(hash, key, value, bucketIndex);  
   * 作用： 若容量足够，则创建1个新的数组元素（Entry） 并放入到数组中
   */  
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 

    // 1\. 把table中该位置原来的Entry保存  
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

    // 2\. 在table中该位置新建一个Entry：将原头结点位置（数组上）的键值对 放入到（链表）后1个节点中、将需插入的键值对 放入到头结点中（数组上）-> 从而形成链表
    // 即 在插入元素时，是在链表头插入的，table中的每个位置永远只保存最新插入的Entry，旧的Entry则放入到链表中（即 解决Hash冲突）
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);  

    // 3\. 哈希表的键值对数量计数增加
    size++;  
}

此处有2点需特别注意：键值对的添加方式 & 扩容机制

1. 键值对的添加方式：单链表的头插法

即将该位置（数组上）原来的数据放在该位置的（链表）下1个节点中（next）、在该位置（数组上）放入需插入的数据-> 从而形成链表
如下示意图

image

2. 扩容机制

具体流程如下：

image

扩容过程中的转移数据示意图如下

image

在扩容resize（）过程中，在将旧数组上的数据转移到新数组上时，转移操作 = 按旧链表的正序遍历链表、在新链表的头部依次插入，即在转移数据、扩容后，容易出现链表逆序的情况

设重新计算存储位置后不变，即扩容前 = 1->2->3，扩容后 = 3->2->1

此时若（多线程）并发执行 put（）操作，一旦出现扩容情况，则 容易出现环形链表，从而在获取数据、遍历链表时形成死循环（Infinite Loop），即死锁的状态 = 线程不安全

下面最后1节会对上述情况详细说明

总结

向 HashMap 添加数据（成对放入键 - 值对）的全流程

image

示意图
image

至此，关于 “向 HashMap 添加数据（成对放入键 - 值对）“讲解完毕

步骤3：从HashMap中获取数据

假如理解了上述put（）函数的原理，那么get（）函数非常好理解，因为二者的过程原理几乎相同
get（）函数的流程如下：

image

具体源码分析如下

/**
   * 函数原型
   * 作用：根据键key，向HashMap获取对应的值
   */ 
   map.get(key)；

 /**
   * 源码分析
   */ 
   public V get(Object key) {  

    // 1\. 当key == null时，则到 以哈希表数组中的第1个元素（即table[0]）为头结点的链表去寻找对应 key == null的键
    if (key == null)  
        return getForNullKey(); --> 分析1

    // 2\. 当key ≠ null时，去获得对应值 -->分析2
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

    return null == entry ? null : entry.getValue();  
}  

 /**
   * 分析1：getForNullKey()
   * 作用：当key == null时，则到 以哈希表数组中的第1个元素（即table[0]）为头结点的链表去寻找对应 key == null的键
   */ 
private V getForNullKey() {  

    if (size == 0) {  
        return null;  
    }  

    // 遍历以table[0]为头结点的链表，寻找 key==null 对应的值
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {  

        // 从table[0]中取key==null的value值 
        if (e.key == null)  
            return e.value; 
    }  
    return null;  
}  

 /**
   * 分析2：getEntry(key)
   * 作用：当key ≠ null时，去获得对应值
   */  
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {  

    if (size == 0) {  
        return null;  
    }  

    // 1\. 根据key值，通过hash（）计算出对应的hash值
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);  

    // 2\. 根据hash值计算出对应的数组下标
    // 3\. 遍历 以该数组下标的数组元素为头结点的链表所有节点，寻找该key对应的值
    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];  e != null;  e = e.next) {  

        Object k;  
        // 若 hash值 & key 相等，则证明该Entry = 我们要的键值对
        // 通过equals（）判断key是否相等
        if (e.hash == hash &&  
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))  
            return e;  
    }  
    return null;  
}

至此，关于 “向 HashMap 获取数据 “讲解完毕

步骤4：对HashMap的其他操作

即对其余使用API（函数、方法）的源码分析

HashMap除了核心的put（）、get（）函数，还有以下主要使用的函数方法

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 

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

下面将简单介绍上面几个函数的源码分析

  /**
   * 函数：isEmpty()
   * 作用：判断HashMap是否为空，即无键值对；size == 0时 表示为 空 
   */

public boolean isEmpty() {  
    return size == 0;  
} 

 /**
   * 函数：size()
   * 作用：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
   */

   public int size() {  
    return size;  
}  

 /**
   * 函数：clear()
   * 作用：清空哈希表，即删除所有键值对
   * 原理：将数组table中存储的Entry全部置为null、size置为0
   */ 
public void clear() {  
    modCount++;  
    Arrays.fill(table, null);
    size = 0;
}  

/**
   * 函数：putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)
   * 作用：将指定Map中的键值对 复制到 此Map中
   * 原理：类似Put函数
   */ 

    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {  
    // 1\. 统计需复制多少个键值对  
    int numKeysToBeAdded = m.size();  
    if (numKeysToBeAdded == 0)  
        return; 

    // 2\. 若table还没初始化，先用刚刚统计的复制数去初始化table  
    if (table == EMPTY_TABLE) {  
        inflateTable((int) Math.max(numKeysToBeAdded * loadFactor, threshold));  
    }  

    // 3\. 若需复制的数目 > 阈值，则需先扩容 
    if (numKeysToBeAdded > threshold) {  
        int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);  
        if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)  
            targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;  
        int newCapacity = table.length;  
        while (newCapacity < targetCapacity)  
            newCapacity <<= 1;  
        if (newCapacity > table.length)  
            resize(newCapacity);  
    }  
    // 4\. 开始复制（实际上不断调用Put函数插入）  
    for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())  
        put(e.getKey(), e.getValue());
}  

 /**
   * 函数：remove(Object key)
   * 作用：删除该键值对
   */ 

public V remove(Object key) {  
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);  
    return (e == null ? null : e.value);  
}  

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {  
    if (size == 0) {  
        return null;  
    }  
    // 1\. 计算hash值
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);  
    // 2\. 计算存储的数组下标位置
    int i = indexFor(hash, table.length);  
    Entry<K,V> prev = table[i];  
    Entry<K,V> e = prev;  

    while (e != null) {  
        Entry<K,V> next = e.next;  
        Object k;  
        if (e.hash == hash &&  
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {  
            modCount++;  
            size--; 
            // 若删除的是table数组中的元素（即链表的头结点） 
            // 则删除操作 = 将头结点的next引用存入table[i]中  
            if (prev == e) 
                table[i] = next;

            //否则 将以table[i]为头结点的链表中，当前Entry的前1个Entry中的next 设置为 当前Entry的next（即删除当前Entry = 直接跳过当前Entry）
            else  
                prev.next = next;   
            e.recordRemoval(this);  
            return e;  
        }  
        prev = e;  
        e = next;  
    }  

    return e;  
} 

 /**
   * 函数：containsKey(Object key)
   * 作用：判断是否存在该键的键值对；是 则返回true
   * 原理：调用get（），判断是否为Null
   */
   public boolean containsKey(Object key) {  
    return getEntry(key) != null; 
} 

 /**
   * 函数：containsValue(Object value)
   * 作用：判断是否存在该值的键值对；是 则返回true
   */   
public boolean containsValue(Object value) {  
    // 若value为空，则调用containsNullValue()  
    if (value == null)
        return containsNullValue();  

    // 若value不为空，则遍历链表中的每个Entry，通过equals（）比较values 判断是否存在
    Entry[] tab = table;
    for (int i = 0; i < tab.length ; i++)  
        for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)  
            if (value.equals(e.value)) 
                return true;//返回true  
    return false;  
}  

// value为空时调用的方法  
private boolean containsNullValue() {  
    Entry[] tab = table;  
    for (int i = 0; i < tab.length ; i++)  
        for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)  
            if (e.value == null)
                return true;  
    return false;  
}

至此，关于HashMap的底层原理 & 主要使用API（函数、方法）讲解完毕。

6. 源码总结

下面，用3个图总结整个源码内容：

总结内容 = 数据结构、主要参数、添加 & 查询数据流程、扩容机制

数据结构 & 主要参数
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添加 & 查询数据流程
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扩容机制
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7. 与 `JDK 1.8`的区别

HashMap 的实现在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 差别较大，具体区别如下

JDK 1.8 的优化目的主要是：减少 Hash冲突 & 提高哈希表的存、取效率；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

7.1 数据结构

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7.2 获取数据时（获取数据类似）

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7.3 扩容机制

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8. 额外补充：关于HashMap的其他问题

有几个小问题需要在此补充

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具体如下

8.1 哈希表如何解决Hash冲突

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8.2 为什么HashMap具备下述特点：键-值（key-value）都允许为空、线程不安全、不保证有序、存储位置随时间变化

具体解答如下

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下面主要讲解 HashMap 线程不安全的其中一个重要原因：多线程下容易出现resize（）死循环
本质 = 并发执行 put（）操作导致触发扩容行为，从而导致环形链表，使得在获取数据遍历链表时形成死循环，即Infinite Loop
先看扩容的源码分析resize（）

关于resize（）的源码分析已在上文详细分析，此处仅作重点分析：transfer（）

/**
   * 源码分析：resize(2 * table.length)
   * 作用：当容量不足时（容量 > 阈值），则扩容（扩到2倍）
   */ 
   void resize(int newCapacity) {  

    // 1\. 保存旧数组（old table） 
    Entry[] oldTable = table;  

    // 2\. 保存旧容量（old capacity ），即数组长度
    int oldCapacity = oldTable.length; 

    // 3\. 若旧容量已经是系统默认最大容量了，那么将阈值设置成整型的最大值，退出    
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
        threshold = Integer.MAX_VALUE;  
        return;  
    }  

    // 4\. 根据新容量（2倍容量）新建1个数组，即新table  
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  

    // 5\. （重点分析）将旧数组上的数据（键值对）转移到新table中，从而完成扩容 ->>分析1.1 
    transfer(newTable); 

    // 6\. 新数组table引用到HashMap的table属性上
    table = newTable;  

    // 7\. 重新设置阈值  
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); 
} 

 /**
   * 分析1.1：transfer(newTable); 
   * 作用：将旧数组上的数据（键值对）转移到新table中，从而完成扩容
   * 过程：按旧链表的正序遍历链表、在新链表的头部依次插入
   */ 
void transfer(Entry[] newTable) {
      // 1\. src引用了旧数组
      Entry[] src = table; 

      // 2\. 获取新数组的大小 = 获取新容量大小                 
      int newCapacity = newTable.length;

      // 3\. 通过遍历 旧数组，将旧数组上的数据（键值对）转移到新数组中
      for (int j = 0; j < src.length; j++) { 
          // 3.1 取得旧数组的每个元素  
          Entry<K,V> e = src[j];           
          if (e != null) {
              // 3.2 释放旧数组的对象引用（for循环后，旧数组不再引用任何对象）
              src[j] = null; 

              do { 
                  // 3.3 遍历 以该数组元素为首 的链表
                  // 注：转移链表时，因是单链表，故要保存下1个结点，否则转移后链表会断开
                  Entry<K,V> next = e.next; 
                 // 3.3 重新计算每个元素的存储位置
                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); 
                 // 3.4 将元素放在数组上：采用单链表的头插入方式 = 在链表头上存放数据 = 将数组位置的原有数据放在后1个指针、将需放入的数据放到数组位置中
                 // 即 扩容后，可能出现逆序：按旧链表的正序遍历链表、在新链表的头部依次插入
                 e.next = newTable[i]; 
                 newTable[i] = e;  
                 // 访问下1个Entry链上的元素，如此不断循环，直到遍历完该链表上的所有节点
                 e = next;             
             } while (e != null);
             // 如此不断循环，直到遍历完数组上的所有数据元素
         }
     }
 }

从上面可看出：在扩容resize（）过程中，在将旧数组上的数据转移到新数组上时，转移数据操作 = 按旧链表的正序遍历链表、在新链表的头部依次插入，即在转移数据、扩容后，容易出现链表逆序的情况

设重新计算存储位置后不变，即扩容前 = 1->2->3，扩容后 = 3->2->1

此时若（多线程）并发执行 put（）操作，一旦出现扩容情况，则 容易出现环形链表，从而在获取数据、遍历链表时形成死循环（Infinite Loop），即死锁的状态，具体请看下图：

初始状态、步骤1、步骤2

image

注：由于 JDK 1.8 转移数据操作 = 按旧链表的正序遍历链表、在新链表的尾部依次插入，所以不会出现链表 逆序、倒置的情况，故不容易出现环形链表的情况。

但 JDK 1.8 还是线程不安全，因为无加同步锁保护

8.3 为什么 HashMap 中 String、Integer 这样的包装类适合作为 key 键

image

8.4 HashMap 中的 `key`若 `Object`类型，则需实现哪些方法？

image

至此，关于HashMap的所有知识讲解完毕。

作者：Carson_Ho
链接：https://www.jianshu.com/p/e5c8a814c0ca
来源：简书
简书著作权归作者所有，任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。

Java基础：HashMap详解二

前言

问题1：为什么不直接采用经过hashCode（）处理的哈希码作为存储数组table的下标位置？

问题2：为什么采用哈希码与运算(&) （数组长度-1）计算数组下标？

问题3：为什么在计算数组下标前，需对哈希码进行二次处理：扰动处理？

分析4：若对应的key已存在，则使用新value 替换旧value

分析1：替换流程

分析2：`key`值的比较

分析5：若对应的key不存在，则将该“key-value”添加到数组table的对应位置中

1. 键值对的添加方式：单链表的头插法

2. 扩容机制

总结

步骤3：从HashMap中获取数据

步骤4：对HashMap的其他操作

6. 源码总结

7. 与 `JDK 1.8`的区别

7.1 数据结构

7.2 获取数据时（获取数据类似）

7.3 扩容机制

8. 额外补充：关于HashMap的其他问题

8.1 哈希表如何解决Hash冲突

8.2 为什么HashMap具备下述特点：键-值（key-value）都允许为空、线程不安全、不保证有序、存储位置随时间变化

8.3 为什么 HashMap 中 String、Integer 这样的包装类适合作为 key 键

8.4 HashMap 中的 `key`若 `Object`类型，则需实现哪些方法？

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前言

问题1：为什么不直接采用经过hashCode（）处理的哈希码 作为 存储数组table的下标位置？

问题2：为什么采用 哈希码 与运算(&) （数组长度-1） 计算数组下标？

问题3：为什么在计算数组下标前，需对哈希码进行二次处理：扰动处理？

分析4：若对应的key已存在，则 使用 新value 替换 旧value

分析1：替换流程

分析2：key值的比较

分析5：若对应的key不存在，则将该“key-value”添加到数组table的对应位置中

1. 键值对的添加方式：单链表的头插法

2. 扩容机制

总结

步骤3：从HashMap中获取数据

步骤4：对HashMap的其他操作

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7.1 数据结构

7.2 获取数据时（获取数据 类似）

7.3 扩容机制

8. 额外补充：关于HashMap的其他问题

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8.2 为什么HashMap具备下述特点：键-值（key-value）都允许为空、线程不安全、不保证有序、存储位置随时间变化

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分析2：`key`值的比较

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7.2 获取数据时（获取数据类似）

8.4 HashMap 中的 `key`若 `Object`类型，则需实现哪些方法？