Java源码分析之HashMap

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-08-07 15:57 183阅读 0赞

## Java源码分析之HashMap ##

说明：这里分析的是jdk1.8的源码。

## 1.位于java.util包下，从JDK1.2开始有的。 ##

## 2.继承关系 ##

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

### 1）继承自抽象基类AbstractMap类 ###

public abstract class AbstractMap<K,V> implements Map<K,V> {}

### 2）实现Map接口 ###

### 3）实现Cloneable、Serializable 接口，两个都是标记接口，前一个表示可以clone，后一个表示可以序列化 ###

## 3.属性 ##

/**
 * Node类型的数组，不会序列化，只有当第一次使用的时候才会初始化，当需要的时候会重新分配大小，大小为原先的两倍。
 * 数组的大小必须的是2的整数次幂，这里可以分析下是为什么？首先如果length是2的整数次幂的话，h&(length-1)将相当于对
 *length取模，这样保证了散列的均匀；再者是length为2的整数次幂，也就是为偶数，这样length-1也就是奇数，那么h&(length-1)
 *的值可能为奇数，也可能为偶数，这样保证了散列的均匀性，比较合理，如果length为奇数，那么length-1为偶数，那么h&(length-1)
 *的值一定为偶数，这样会浪费一半的空间。
 */
 transient Node<K,V>[] table; 
 transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; //不会序列化
 transient int size; //Map中元素的个数，不会序列化
 transient int modCount; //改变结构的次数，不会序列化
 int threshold; //需要跳转的极限值（容量*装载因子）
 final float loadFactor; //装载因子

## 4.构造函数 ##

### 1） ###

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
 if (initialCapacity < 0)
 throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
 initialCapacity);
 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; //最大只能有 MAXIMUM_CAPACITY容量的Map对象
 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
 throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
 loadFactor);
 this.loadFactor = loadFactor;
 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
 }

两个参数，一个是初始化的大小，一个是装载因子。

### 2） ###

public HashMap(int initialCapacity) {
 this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
 }

一个参数，初始化的大小，使用默认的装载因子来创建，调用HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造方法。

### 3） ###

public HashMap() {
 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
 }

无参的构造方法，使用默认的装载因子。

### 4） ###

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
 putMapEntries(m, false);
 }

参数为Map类型的对象，使用putMapEntries（）方法来添加对象。

## 5.内部类和方法 ##

### 1.使用静态内部类表示Map中的结点元素 ###

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
 final int hash; //hash值
 final K key; //键
 V value; //值
 Node<K,V> next;//下一个元素，这里可以看出使用的是链表的数据结构
 
 Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
 this.hash = hash;
 this.key = key;
 this.value = value;
 this.next = next;
 }
 
 public final K getKey() { return key; }
 public final V getValue() { return value; }
 public final String toString() { return key + "=" + value; }
 
 public final int hashCode() {
 return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
 }
 
 public final V setValue(V newValue) {
 V oldValue = value;
 value = newValue;
 return oldValue;
 }
 
 public final boolean equals(Object o) {
 if (o == this)
 return true;
 if (o instanceof Map.Entry) {
 Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
 if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
 Objects.equals(value, e.getValue()))
 return true;
 }
 return false;
 }
 }

### 2.静态的工具方法 ###

### 1） ###

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

hash（）方法，返回对象的hashcode值。

### 2） ` static Class<?> comparableClassFor(Object x) { if (x instanceof Comparable) { Class<?> c; Type[] ts, as; Type t; ParameterizedType p; if ((c = x.getClass()) == String.class) // bypass checks return c; //如果x是String类型的返回String的Class对象 if ((ts = c.getGenericInterfaces()) != null) { for (int i = 0; i < ts.length; ++i) { if (((t = ts[i]) instanceof ParameterizedType) && ((p = (ParameterizedType)t).getRawType() == Comparable.class) && (as = p.getActualTypeArguments()) != null && as.length == 1 && as[0] == c) // type arg is c return c; } } } return null; }` ###

返回对象x的Class对象，如果x的类实现了comparable接口，返回对象x的Class对象，否则返回空。

### 3） ###

static int compareComparables(Class<?> kc, Object k, Object x) {
 return (x == null || x.getClass() != kc ? 0 :
 ((Comparable)k).compareTo(x));
 }

如果x为空或者x与k是同一类的对象返回0，否则返回k.compareTo(x)。

### 4） ###

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;
 }

由于容量必须的2的整数次幂，所以传入构造函数中的容量参数，会进行一次操作，就会通过tableSizeFor（）将参数转换为大于参数的最小的2的N次方数。

### 3 .其他方法  ###

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
 int s = m.size();
 if (s > 0) {
 if (table == null) { // table为空没有数据时
 float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
 int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
 (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
 if (t > threshold)
 threshold = tableSizeFor(t);
 }
 else if (s > threshold) //存入的元素大于下一次分配的大小
 resize();
 for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
 K key = e.getKey();
 V value = e.getValue();
 putVal(hash(key), key, value, false, evict);
 }
 }
 }

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) //使用(n - 1) & hash的值作为数组的下标，如果当前的数组位置为空时
 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //新建一个结点
 else { //当前的数组位置不为空，说明已经有其他元素了
 Node<K,V> e; K k;
 if (p.hash == hash &&
 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //判断已经存在的值是否与要存入的值是否是同一个
 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) { //找到数组位置存的链表的最后一个
 p.next = newNode(hash, key, value, null); //插入新建结点
 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)))) //判断每一个结点与k是否是同一个
 break;
 p = e;
 }
 }
 if (e != null) { // 已经存在相同的键
 V oldValue = e.value;
 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) //如果允许改变已经存在的值或者老的值为空
 e.value = value;
 afterNodeAccess(e);
 return oldValue;
 }
 }
 ++modCount;
 if (++size > threshold)
 resize();
 afterNodeInsertion(evict);
 return null;
 }

//往map中插值，默认是允许改变已存在的值 
 public V put(K key, V value) {
 return putVal(hash(key), key, value, false, true);
 }

//初始化或者将数组容量扩展为原来的两倍，如果原来为空，则按照默认的值进行初始化，如果不为空，则表明原来有元素，则将数组扩展为原来的两倍大小，在新数组中的元素要么呆在原来的位置，要么移到两倍index的位置。
 final Node<K,V>[] resize() {
 Node<K,V>[] oldTab = table;
 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
 int oldThr = threshold;
 int newCap, newThr = 0;
 if (oldCap > 0) {
 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
 threshold = Integer.MAX_VALUE;
 return oldTab;
 }
 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
 newThr = oldThr << 1; // 原来的两倍
 }
 else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
 newCap = oldThr;
 else { // zero initial threshold signifies using defaults
 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
 }
 if (newThr == 0) {//新的极限值为0
 float ft = (float)newCap * loadFactor;
 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
 (int)ft : Integer.MAX_VALUE);//将新的容量*装载因子或者最大值赋给新的极限值
 }
 threshold = newThr;
 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
 //以下的内容就是将原来数组中的元素及链表拷贝到新数组中
 Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
 table = newTab;
 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)//如果链表只有一个结点
 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;//将这个结点直接放入新结点相应的位置
 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;
 }

### 4.重写父接口Map中的default方法 ###

由于在jdk1.8中加入了新特性，在接口可以有default方法。

//通过键查找值，返回找到的值或者当没找到对应的key返回第二个参数
 @Override
 public V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {
 Node<K,V> e;
 return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? defaultValue : e.value;
 }

//向hashmap中添加新的元素，但是不允许改变已存在的值。
 @Override
 public V putIfAbsent(K key, V value) {
 return putVal(hash(key), key, value, true, true);
 }

//删除某个已存在的键值对。
 @Override
 public boolean remove(Object key, Object value) {
 return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
 }

//将指定的已经存在的老的值替换成新的值，老的值需要用过参数传进来
 @Override
 public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
 Node<K,V> e; V v;
 if ((e = getNode(hash(key), key)) != null &&
 ((v = e.value) == oldValue || (v != null && v.equals(oldValue)))) {
 e.value = newValue;
 afterNodeAccess(e);
 return true;
 }
 return false;
 }

//替换
 @Override
 public V replace(K key, V value) {
 Node<K,V> e;
 if ((e = getNode(hash(key), key)) != null) {
 V oldValue = e.value;
 e.value = value;
 afterNodeAccess(e);
 return oldValue;
 }
 return null;
 }

//通过构建Java本地缓存，降低程序的计算量、程序复杂度。
 //首先判断Map中是否存在指定的key的值，如果不存在，会自动调用mappingFunction（key）计算key的value，然后将key=value放入
 //缓存map，如果mappingFunction（key）返回为null或者抛异常，则不会有记录存入map
 @Override
 public V computeIfAbsent(K key,
 Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) {
 if (mappingFunction == null)
 throw new NullPointerException();
 int hash = hash(key);
 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first; int n, i;
 int binCount = 0;
 TreeNode<K,V> t = null;
 Node<K,V> old = null;
 if (size > threshold || (tab = table) == null ||
 (n = tab.length) == 0)
 n = (tab = resize()).length;
 if ((first = tab[i = (n - 1) & hash]) != null) {
 if (first instanceof TreeNode)
 old = (t = (TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
 else {
 Node<K,V> e = first; K k;
 do {
 if (e.hash == hash &&
 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
 old = e;
 break;
 }
 ++binCount;
 } while ((e = e.next) != null);
 }
 V oldValue;
 if (old != null && (oldValue = old.value) != null) {
 afterNodeAccess(old);
 return oldValue;
 }
 }
 V v = mappingFunction.apply(key);
 if (v == null) {
 return null;
 } else if (old != null) {
 old.value = v;
 afterNodeAccess(old);
 return v;
 }
 else if (t != null)
 t.putTreeVal(this, tab, hash, key, v);
 else {
 tab[i] = newNode(hash, key, v, first);
 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
 treeifyBin(tab, hash);
 }
 ++modCount;
 ++size;
 afterNodeInsertion(true);
 return v;
 }

//如果key已经存在，通过remappingFunction（key）重新计算。
 public V computeIfPresent(K key,
 BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
 if (remappingFunction == null)
 throw new NullPointerException();
 Node<K,V> e; V oldValue;
 int hash = hash(key);
 if ((e = getNode(hash, key)) != null &&
 (oldValue = e.value) != null) {
 V v = remappingFunction.apply(key, oldValue);
 if (v != null) {
 e.value = v;
 afterNodeAccess(e);
 return v;
 }
 else
 removeNode(hash, key, null, false, true);
 }
 return null;
 }

//通过remappingFunction（）计算得到新的值，如果新的为空，且老的值不为空，则删除老的键值对，如果新的不为空，则插入新的键值对
 @Override
 public V compute(K key,
 BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
 if (remappingFunction == null)
 throw new NullPointerException();
 int hash = hash(key);
 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first; int n, i;
 int binCount = 0;
 TreeNode<K,V> t = null;
 Node<K,V> old = null;
 if (size > threshold || (tab = table) == null ||
 (n = tab.length) == 0)
 n = (tab = resize()).length;
 if ((first = tab[i = (n - 1) & hash]) != null) {
 if (first instanceof TreeNode)
 old = (t = (TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
 else {
 Node<K,V> e = first; K k;
 do {
 if (e.hash == hash &&
 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
 old = e;
 break;
 }
 ++binCount;
 } while ((e = e.next) != null);
 }
 }
 V oldValue = (old == null) ? null : old.value;
 V v = remappingFunction.apply(key, oldValue);
 if (old != null) {
 if (v != null) {
 old.value = v;
 afterNodeAccess(old);
 }
 else
 removeNode(hash, key, null, false, true);
 }
 else if (v != null) {
 if (t != null)
 t.putTreeVal(this, tab, hash, key, v);
 else {
 tab[i] = newNode(hash, key, v, first);
 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
 treeifyBin(tab, hash);
 }
 ++modCount;
 ++size;
 afterNodeInsertion(true);
 }
 return v;
 }

//如果指定的key不存在或者value为空，则用给的value填上，否则用remappingFunction（）计算得到结果替代。
 //通常这个方法被用来组合多个value对于一个key时。
 @Override
 public V merge(K key, V value,
 BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
 if (value == null)
 throw new NullPointerException();
 if (remappingFunction == null)
 throw new NullPointerException();
 int hash = hash(key);
 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first; int n, i;
 int binCount = 0;
 TreeNode<K,V> t = null;
 Node<K,V> old = null;
 if (size > threshold || (tab = table) == null ||
 (n = tab.length) == 0)
 n = (tab = resize()).length;
 if ((first = tab[i = (n - 1) & hash]) != null) {
 if (first instanceof TreeNode)
 old = (t = (TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
 else {
 Node<K,V> e = first; K k;
 do {
 if (e.hash == hash &&
 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
 old = e;
 break;
 }
 ++binCount;
 } while ((e = e.next) != null);
 }
 }
 if (old != null) {
 V v;
 if (old.value != null)
 v = remappingFunction.apply(old.value, value);
 else
 v = value;
 if (v != null) {
 old.value = v;
 afterNodeAccess(old);
 }
 else
 removeNode(hash, key, null, false, true);
 return v;
 }
 if (value != null) {
 if (t != null)
 t.putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
 else {
 tab[i] = newNode(hash, key, value, first);
 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
 treeifyBin(tab, hash);
 }
 ++modCount;
 ++size;
 afterNodeInsertion(true);
 }
 return value;
 }

//jdk1.8新加入的
 @Override
 public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
 Node<K,V>[] tab;
 if (action == null)
 throw new NullPointerException();
 if (size > 0 && (tab = table) != null) {
 int mc = modCount;
 for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
 for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
 action.accept(e.key, e.value);
 }
 if (modCount != mc)
 throw new ConcurrentModificationException();
 }
 }

//jdk1.8新加入的
 @Override
 public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {
 Node<K,V>[] tab;
 if (function == null)
 throw new NullPointerException();
 if (size > 0 && (tab = table) != null) {
 int mc = modCount;
 for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
 for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) {
 e.value = function.apply(e.key, e.value);
 }
 }
 if (modCount != mc)
 throw new ConcurrentModificationException();
 }
 }

## 6. jdk1.8中对HashMap的优化 ##

如果数组中某个位置的链表长度过大的话，HashMap会动态的使用一个专门的TreeMap实现来替换它。这样做的结果会更好，是O(logn)，而不是O(n)。那么它是如果运行的？前面造成的冲突的那些Key对应的结点只是简单的追加到对应链表的后面，这些记录只能通过遍历来进行炒作。但是如果超过某个阈值后HashMap开始将链表升级成一个二叉树，使用哈希值作为树的分支变量如果两个哈希值不等，但是指向同一个桶的话，较大的那个插入到右子树里。这样的由于链表变成一个二叉树，所以时间复杂度从O(n)-->O(logn)。  
        那么这么做有什么用？首先肯定是性能的提升，然后比如说有人恶意搞破坏，知道我们使用的hash算法，它可能会发送大量的请求，可能会导致严重的哈希碰撞，然后不断的访问key就会影响服务器的性能，这样就形成了一次拒绝服务攻击，jdk1.8对hashmap的优化可以有效的防止类似的攻击。