HashMap源码分析(一)之hash方法，put方法，resize方法

Myth丶恋晨 2021-12-05 16:32 300阅读 0赞

#### 1、什么是HashMap ####

`HashMap`是基于`hash表`的一个Map接口的实现。也就是数组+链表的存储方式。、

> 数组特点：查找快 增删 慢  
> 链表的特点： 增删快 查找慢  
> 数组链表将两个特性结合了

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczMjk1NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

##### 哈希表、 #####

是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。**（----百度百科）**

##### 什么是hash #####

hash(哈希)，也称作散列 就是把任意长度的输入，通过散列算法，变换成固定长度的输出，**该输出就是散列值。相同的输入值，得到的散列值一定想同，不同的输入值可能得到相同的散列值，而出现这种情况也叫碰撞**。而hash算法的目标就是尽可能降低发生碰撞的概率。

在`hashmap`当中，存在一个`hash`方法，这个方法就是将Key，经过计算 返回一个hash值，与数组长度取模，就能得到在HashMap中的数组的位置，用于定位。不同jdk的版本里`hashmap#hash()`方法，略有不同，但都是一个目的，就使得元素分布更加均匀。HashMap为了提高效率使用位运算代替哈希，这又引入了哈希分布不均匀的问题，所以HashMap为解决这问题，又对hash算法做了一些改进，进行了扰动计算。

static final int hash(Object key) { 
            int h;
            //如果key==null 返回0
           // hashCode()的高16位异或低16位实现 扰动进可能让高位与低位混合在一起
            return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
        }

得到`hash`值之后，在`put`方法中是通过`p = tab[i = (n - 1) & hash]`，获得到数组中的位置。这其实就是对hash和数组长度进行模运算，（但是这种位运算效率更高，因为这个是二进制直接对内存进行操作，并不需要转换成十进制。）

> 8&（16-1） 与8%16的结果相同

但是这种成立是有一个前提的 也就是**数组长度必须是2的整数幂**。`HashMap`也设计的符合这种条件，因为它的初始容量是`16` ，每次扩容是x2.

**hashmap里面的几个常量与变量（部分）**

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 默认容量16
    	static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;		//最大容量 2的30
        static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;		//装载因子 当存储到 容量*装载因子 进行扩容
        static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;				// 链表转红黑树转换的 阈值
         static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;			// 红黑树转链表的的 阀值
        transient int size;									// k-v的对数
    	int threshold;										//进行扩容的临界值 = DEFAULT_LOAD_FACTOR *DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 
    	static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; 		// 结构转化为红黑树对应的数组的最小 大小，如果当前容量小于它，
    														//就不会将链表转化为红黑树，而是用resize()代替

**1、Hash的构造方法**

public HashMap() { 
        // 无参数的时候 设置默认装载因子 0.75
            this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        }
        
        // 指定初始容量 
        public HashMap(int initialCapacity) { 
            this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        }
    
    	//指定初始容量 和 装载因子（推荐使用默认的）
        public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { 
            if (initialCapacity < 0)
                throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                                   initialCapacity);
            if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
                initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
            if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
                throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                                   loadFactor);
            this.loadFactor = loadFactor;
            //重点 会对传入的容量进行处理 并暂时存放到扩容临界值这个变量上
            this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
        }

**tableSizeFor(initialCapacity)设置初始化容量**

> jdk，并不一定一会用我们传入值，当做初始化的容量，而是经过下列计算得到一个新的值，也就是大于等于它的最小的2的整数幂。
> 
> 如；1->1、3->4、6->8、10->16

static final int tableSizeFor(int cap) { 
            int n = cap - 1;
            n |= n >>> 1;
            n |= n >>> 2;
            n |= n >>> 4;
            n |= n >>> 8;
            n |= n >>> 16;
            return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
        }

上面这段代码很有`魅力`,通过位运算 ，获得到大于等于它的最小2的整数幂。（因为使用位运算，是直接对内存进行操作，效率更高）。  
**例如我们输入的值是10**

int n = cap -1 //9
    n = 1001 
    1001>>>1=0100
    0100 | 1001 = 1101   // n |= n >>> 1;
    1101>>>2 = 0011
    0011 | 1101 = 1111	// n |= n >>> 2;
    //因为已经是1111了 后面的 n |= n >>> 4;n |= n >>> 8; n |= n >>> 16;不会改变数值，就不写出来了
      return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
       n + 1 = 10000   // 16

**为什么cap -1**  
因为 如果出现输入的值就是2的整数幂，那按照位操作之后，得到的会是 大于它的2的帧数幂 。比如输入的是 4，得大的结果就会8.这并不是我们所希望的，但是通过`int n = cap -1`和最后的结果`n + 1`。这个巧妙的操作，就能避免这种情况。  
**为什么一定要是2的整数幂**  
因为，需要符合模运算 用位运算代替的条件。

**2、put方法**

public V put(K key, V value) { 
            return putVal(hash(key), key, value, false, true);
        }

在进行put方法之前会对key先进行hash算法，求出hash值（关于hash函数上文已经介绍过）

> 对key的hashCode 与hashCode的高16进行位进行 异或运算，目的是为了将haCode的高位和低位混合一下，进行扰动，提高散列程度降低之后与table长度进行取模 发生碰撞的概率。（上文也提到过了）

static final int hash(Object key) { 
            int h;
            return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
        }

因为在执行put操作的时候，我们要进行table.length-1&hash操作。如果不进行hashcode的hash处理 length-1的初始值是1111与hashcode进行与处理之后，会发现 高位的hashcode,不会对结果产生影响。**下面举一个例子，两个高位相同的hashcode与length-1进行与运算**  
例如：key = `jack`  
`00100000 00001111 01010100 10101001` &  
`00000000 00000000 00000000 00001111`  
`00000000 00000000 00000000 00001111` = 9  
**key=`bob`**  
`00110100 00100101 0101000 10111001`&  
`0000000 00000000 00000000 00001111`  
`0000000 00000000 00000000 00001111` = 9  
他们与length-1进行&运算，得到的结果相同 ，位了能让让高位也能影响到低位，从而影响最后的结果，要进行扰动运算，`h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16`。**下面进行扰动运算**  
key = `jack` 进行扰动  
`00100000 00001111 01010100 10101001` `^`  
`00000000 00000000 00100000 00001111`  
`00100000 00001111 01110100 10100110`  
key=`bob` 进行扰动  
`00110100 00100101 01010000 10111001` `^`  
`00000000 00000000 00110100 00100101`  
`00110100 00100101 01100100 10010100`  
**进行扰动之后，之前高位的不同，就影响到了低位，这样再与length-1进行&运算，得到的值就不同，避免了高位不同低位相同的hashcode的取模的时候，而产生的碰撞。**

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接着看**put方法具体的实现**

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                       boolean evict) { 
            Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        	// 判断长度为0 也就是一次put 并未创建table数组对象
            if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                //resize()方法 返回一个 数组容量为16的Node<K,V>[] newTab
                n = (tab = resize()).length;
        	//获取改hash对应位置的数组元素并且判断是否为null
            if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                //不为空，直接插入该位置
                tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
            else { 
                //否则 发生碰撞
                //p为插入位置的node节点
                Node<K,V> e; K k;
                //如果插入的key 与 存在改位置的key是同一个key
                if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    e = p;
                //如果是树形节点 也就是说已经转换成了红黑树
                else if (p instanceof TreeNode)
                    //插入红黑树节点操作
                    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                else { 
                    //遍历链表 进行插入
                    for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 
                        if ((e = p.next) == null) { 
                            //尾插入法 插入到最后一个元素的后面
                            p.next = newNode(hash, key, value, null);
                         	 //链表长度大于8 也就是存储链表的第9个元素之后
                            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                                //红黑树转换操作
                                treeifyBin(tab, hash);
                            break;
                        }
                        //遍历过程判断是否存在相同的key 
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                            break;
                        p = e;
                    }
                }
                if (e != null) {  //如果有存在key 与put进入的key相同
                    //进行元素覆盖 相同的key的 覆盖
                    V oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                        e.value = value;
                    // 方法回调
                    afterNodeAccess(e);
                    return oldValue;
                }
            }
            ++modCount;
        //达到扩容临界值
            if (++size > threshold)
                //扩容
                resize();
        	//方法回调
            afterNodeInsertion(evict);
            return null;
        }

**小结一下put方法：**  
首先判断`table`是否为空，如果为null 则返回一个默认大小为16的数组  
1、根据put进来的key，经过hash算法和取模，得到该key在table数组上的位置，检查该位置是否存在元素。如果没有元素，直接创建一个node节点，直接插入改位置。  
2、如果该位置有元素，也即是不等于null，那么把将要新存入元素的`key`，与该位置元素的key，对比相同。如果相同，用vlaue，替换旧value。  
如果不相等：那就要分两种情况

*  如果插入的数组节点是红黑树节点，那说明已经转换成了红黑树，就进行红黑树的插入操作
 *  否则，将遍历该数组节点下的链表，将元素插入到链表的最末尾端`尾插法`，如果遍历过程中发现了有相同的key,那么用新value 覆盖旧的value.
 *  链表插入完成之后，判断是否链表长度达到转换成红黑树的临界值 `TREEIFY_THRESHOLD=8`，如果达到，将进行将改数组节点下的链表转为红黑操作。`treeifyBin(tab, hash);`进入这个方法之后，需要继续验证红黑树转换的条件.

整个put完成之后，`++size`判断是否到达扩容的临界值`threshold`默认是12，如果超过，则进行扩容处理执行`resize();`方法

> **判断key的时候用到了equals()方法，如果是对象对类型当做key,那一定要同时重写hashcode和equals方法**  
> **这里将节点插入列表的尾部，也即是所谓的尾插法，这是对jdk1.7头插法的一点改进，是为了避免多线程环境下，形成循环链表**

**3、resize()扩容方法**

final Node<K,V>[] resize() { 
            Node<K,V>[] oldTab = table;
        	// 记录旧容量
            int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    		// 记录旧扩容临界值
        	int oldThr = threshold;
            int newCap, newThr = 0;
        	//旧容量是否为null 如果第一次oldCap等于空
            if (oldCap > 0) { 
                if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 
                    threshold = Integer.MAX_VALUE;
                    return oldTab;
                }
                // 数组长度 与 临界值 都扩大为原来的两倍（用位运算，熟读更快）
                else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                         oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                    newThr = oldThr << 1; // double threshold
            }
            else if (oldThr > 0) 
                //如果通过HashMap(int initialCapacity)构造hsah的时候，把处理之后容量，暂时赋值给了threshold 
                //取出来 赋值成新容量
                newCap = oldThr;
            else { 
                //默认初始化容量为 16
                newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
                //默认初始化扩容临界值 16*0.75 = 12
                newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
            }
            if (newThr == 0) { 
                // 设置 自定义容量时的 扩容临界值
                float ft = (float)newCap * loadFactor;
                newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                          (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
            }
       	 //赋值操作
            threshold = newThr;
            @SuppressWarnings({ "rawtypes","unchecked"})
        // 创建新的 table
                Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
            table = newTab;
        	//如果旧数组不为空，需要将旧table里面的内容，复制到新table里面，下面就是赋值操作
            if (oldTab != null) { 
                //遍历整个oldtable数组
                for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 
                    Node<K,V> e;
                    //取出j的数组元素 并赋值给e 记录表头元素
                    if ((e = oldTab[j]) != null) { 
                        //取到i之后，里面设置为null 防止多线程环境下循环引用 这个是对jdk1.7的一个改进
                        oldTab[j] = null;
                        //如果就是单单一个节点，也就是此处没有发生冲突
                        if (e.next == null)
                            //直接放到新数组位置对应的 也同样是用位运算代替，取模运算
                            newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                        else if (e instanceof TreeNode)
                              //如果该节点是 树形节点 那么进行分割 作另外的处理【此处不做详细介绍】
                            ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                        else { 
                            //开始处理 发成冲突而形成的链表的 转移
                            Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                            Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                            Node<K,V> next;
                            //从表头节点e 开始循环遍历处理冲突的元素
                            do { 
                                next = e.next;
                                //这是一个巧妙的设计
                                //结果为 1：那么该元素应该放在新table的新位置
                                //结果为 0：说明该元素，放在新table的位置与旧table相同 后面会做记录
                                if ((e.hash & oldCap) == 0) { 
                                    // 把将放在原索引处的元素 建立成新链表
                                    if (loTail == null)
                                        loHead = e;
                                    else
                                        loTail.next = e;
                                    loTail = e;
                                }
                                else { 
                                     //把放在新索引（原索引 + oldCap）处的元素 建立新链表
                                    if (hiTail == null)
                                        hiHead = e;
                                    else
                                        hiTail.next = e;
                                    hiTail = e;
                                }
                            } while ((e = next) != null);
                            if (loTail != null) { 
                                 //把放入原索引处的链表 插入到新table中;
                                loTail.next = null;
                                newTab[j] = loHead;
                            }
                            if (hiTail != null) { 
                                 //把放入新索引处的链表放 插入到新的table中
                                hiTail.next = null;
                                newTab[j + oldCap] = hiHead;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            return newTab;
        }

**小结：** `resize（）`方法是用来扩容的，就是当首次执行`put`方法，或者当添加`put`执行完毕后，会检查`size`是否大于`扩容临界值`，如果大于临界值，就要执行扩容操作。生成一个新的table数组，这样也就牵涉一个问题-----内容的复制。  
1、当就旧的数组，只有一个元素，就是判断出它`next==null`，也就是说没有冲突，那就直接把该元素，该元素放置到新table里面同样索引的位置。  
2、如果要复制的节点 是一个`红黑树型节点`，进行红黑树操作，这里不做详细介绍  
3、如果要复制的节点下存在冲突，也就是有链表存在。那就从头结点开始遍历，是先通过一个巧妙的运算`e.hash & oldCap`，这个运算的结果，只有两种 1 和 0 。用来判断该元素，在新table中索引的位置是否发生变化。

*  结果是：`0` 直接元素存放在 **newtable\[ j \]**
 *  结果是：`1` 存放在**newtable\[ j+oldCap \]**

> 可以用数据验证一样，其实就是判断最高位是否有1 有1那就代表大于原来oldCap 所以存放在新table里的索引不需要变化

根据判断，遍历节点 创建需要换动索引的链表，已经不需要换动索引位置的链表。然后插入到新table中对应的位置。

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