JAVA集合Set之HashSet源码分析

红太狼 2022-10-17 04:24 332阅读 0赞

## 1、概述 ##

HashSet是Java集合的**Set的实现类**，实际上底层**它是HashMap**，Set是**无序的、不可重的**.其中无序的含义是：添加到集合中和取出顺序不一致.**可以存放null**，但是只可以存放一个null.

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcyNTUxNw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

需要深入了解它，便要从**成员变量**、**构造方法**、**主要方法**深入

## 2、成员变量 ##

>     static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;
>     
>     private transient HashMap<E,Object> map;
>     
>     // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
>     private static final Object PRESENT = new Object();

**transient HashMap<E,Object> map**.**再次说明HashSet实际上是HashMap**的，并且该属性不会被序列化的.

## 3、构造方法 ##

HashSet提供了五个构造函数：

>     方式一：
>     /**
>     * Constructs a new, empty set; the backing {@code HashMap} instance has
>     * default initial capacity (16) and load factor (0.75).
>     */
>     public HashSet() {
>         map = new HashMap<>();
>     }
>     
>     public HashMap() {
>        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted 0.75
>     }
>     方式二：
>     /**
>     * Constructs a new, empty set; the backing {@code HashMap} instance has
>     * the specified initial capacity and the specified load factor.
>     *
>     * @param      initialCapacity   the initial capacity of the hash map
>     * @param      loadFactor        the load factor of the hash map
>     * @throws     IllegalArgumentException if the initial capacity is less
>     *             than zero, or if the load factor is nonpositive
>     */
>     public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
>          map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
>     }
>     
>     方式三：
>     /**
>     * Constructs a new, empty set; the backing {@code HashMap} instance has
>     * the specified initial capacity and default load factor (0.75).
>     *
>     * @param      initialCapacity   the initial capacity of the hash table
>     * @throws     IllegalArgumentException if the initial capacity is less
>     *             than zero
>     */
>     public HashSet(int initialCapacity) {
>        map = new HashMap<>(initialCapacity);
>     }

其中方式一作用：创建一个空的Set，其中属性map默认**初始化容量为16的数组table**，**加载因子为0.75**.怎么突然冒出来了数组？？？这得需要了解HashMap的结构代码

HashMap的实现是使用（**数组+链表+红黑树**）类似如图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcyNTUxNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

HashSet无参构造方法**初始化map默认容量为16的数组**.加载因子是0.75（**计算扩容使用的临界值**），**加载因子是确定下次数组table扩容的阈值**，不是一定要添加元素时候加到16才开始扩容，而是在添加到16\*0.75=12时就开始扩容。

这里也没用到红黑树呀，怎么说它使用了（**数组+链表+红黑树**）呢？？？其实是链表的数据数达到某值，就会把**链表转为红黑树**。

无参构造方法可以看出实例化一个容量为16的HashMap，其中加载因子**loadFactor是默认0.75**，**threshold = 加载因子 \* 容量大小**.当存储到threshold临界值，容器自动扩容reSize()方法，**扩容为2倍**.

其实在创建HashSet对象时（**使用无参构造**）并**未创建链表数组的容量为16**，只是**在第一次添加元素时**，才会调用 resize()就创建一个链表数组长度为16.**加载因子是会在创建被确定**.resize()方法如下：

>     final Node<K,V>[] resize() {
>             // 辅助变量
>             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; // double threshold
>             }
>             else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
>                 newCap = oldThr;
>             else {               // zero initial threshold signifies using defaults
>                 // 第一次add元素时 扩容为16
>                 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
>                 // 临界值 阈值为 16 * 0.75 = 12
>                 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
>             }
>             if (newThr == 0) {
>                 float ft = (float)newCap * loadFactor;
>                 newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
>                           (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
>             }
>             threshold = newThr;
>             @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
>             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)
>                             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;
>         }

注意到容量的大小始终是2的幂，在有参构造方法中传入一个initalicapity是3时最后，数组最终长度是4呢？？？

通过跟着源代码发现：**会把传入不是2的幂的转为2的幂的数**，在tableSizeFor转为2的次幂的数.

>     public HashSet(int initialCapacity) {
>             map = new HashMap<>(initialCapacity);
>     }
>     
>     public HashMap(int initialCapacity) {
>             this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
>     }
>     
>     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;
>             this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
>     }
>     
>     static final int tableSizeFor(int cap) {
>             int n = -1 >>> Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);
>             return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
>     }

**为什么链表数组（哈希表）长度必须得2的n次幂？？**

其实就是保证 位与运算的下标计算结果跟取余运算一致。

## 3、HashSet的扩容机制（重点） ##

使用**无参构造方法创建HashSet对象为例**分析该些过程，主要还是通过deburg方式来分析

>     public class TestSet {
>         public static void main(String[] args) {
>             Set set = new HashSet();
>             for(int i = 0;i < 100;i++){
>                 set.add(i);
>             }
>             set.add(1);
>         }
>     }

**第一次调用add（）**方法过程

>     public boolean add(E e) {
>         return map.put(e, PRESENT)==null;
>     }

其中add()方法还是调用map的put（）方法，key作为可变的，其中**value (PRESENT )部分是固定的**. **private static final Object PRESENT = new Object()**; 每一个key的value都是一样的.

再看看put（）方法内部又是如何操作呢？

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

首先在该方法中有两个操作需要执行，hash(key） 和 putVal（），**源码的方法名也是见名知意**，**hash(key）**：就是根据key值获取hash值，通过key的 **hashCode() ^ (key.hashCode() >>> 16)**.putVal（）把key是否添加到链表中去

具体还是看看源码：

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

接下来的putVal()方法可是重头戏（**核心代码**），需要仔仔细细look：

>     final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
>                        boolean evict) {
>             // 辅助变量
>             Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
>             // table 是HashMap的一个属性 链表数组
>             // 开始 tab 为null
>             if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
>                 // 链表数组 扩容为 16大小的长度
>                 n = (tab = resize()).length;
>             //  根据key得到hash 去计算该key应该存放在table 表的哪个索引位置 i
>             //  并把这个位置对象 赋值给 p
>             //  如果p 为null，表示还没有存放元素，就创建一个Node （key=key，value=PRESENT）
>             //  就存放在该位置 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
>             if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
>                 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
>             else {
>                 // 如果当前索引位置对应的链表的第一个元素 和 正准备添加的key的hash的值一样
>                 // 并且满足 下面两个条件之一：
>                 // （1）准备加入的key 和 p指向的Node 结点 的key 是同一个对象 == 
>                 //  (2) p 指向的Node 结点的key 的equals() 和准备加入的key比较后相同
>                 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;
>             if (++size > threshold)
>                 resize();
>             afterNodeInsertion(evict);
>             return null;
>     }

代码行数过于多，其中开始扩容时代码：

>     if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
>     // 链表数组 扩容为 16大小的长度
>     n = (tab = resize()).length;

下次再次扩容代码：

>     ++modCount;
>     if (++size > threshold)
>        resize();
>     afterNodeInsertion(evict);

当链表数组长度 **size 大于** **阈值**（**threshold = 数组容量 \* 加载因子**）就**再次扩容为之前的2倍**. 如果table数组使用到12，就会扩容到 16 \* 2 =32，新的阈值就会变为 32 \* 0.75 = 24,依次类推.

## 4、HashSet的添加元素底层分析（重点） ##

那么数组是怎么存放到链表中去？？？以及为什么相同的数据不可以再次存入？？现在就分析该过程：存入链表中.

抽出关键性代码：

>     if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
>         tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

*   **根据key得到hash** 去计算该key应该存放在**table 表的哪个索引位置 i；** 并把这个位置对象赋值给p，**如果p 为null，表示还没有存放元素**，就创建一个Node （key=key，value=PRESENT）就**存放在该位置 tab\[i\] = newNode(hash, key, value, null**);
 *  如果在次计算的table索引位置有元素（**不为空**），那就得和**这个索引的链表中的元素key值**进行判断。

代码如下：

>     Node<K,V> e; K k;
>        if (p.hash == hash &&
>           ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
>           e = p;

如果当前索引位置对应的链表的**第一个元素** 和 正准备添加的key的**hash的值**一样

并且满足 下面两个条件之一：  
（1）准备加入的key 和 p指向的Node 结点 的key **是同一个对象 == **  
  (2)  **p 指向的Node 结点的key 的equals() 和准备加入的key比较后相同**

后面需要在对该链表后面的结点Node在进行判断，**如果一直判断到最后结点也不相同**，就把该key添加进去（**死循环判断**）

>     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;
>           }
>      }

在该过程中还会**判断是否会树化，**在比较的过程中，并且**还是会再次判断**，指针p（p=e）会往后移动;**依次和该链表的每一个元素比较后，都不相同，则加入到该链表的最后**.

>     if (e.hash == hash &&
>              ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
>            break;

只有当返回值是null，才是是添加成功，不然就没有加入.

>     public boolean add(E e) {
>             return map.put(e, PRESENT)==null;
>     }

上面是为哈希表索引存储的是链表情况，如果是红黑树，就会调用putTreeVal来进行添加：

>     else if (p instanceof TreeNode)
>          e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

该内容过于复杂，再次就不分析了

## 5、HashSet转红黑树机制 ##

对于HashSet转红黑树的代码测试：

>     public class TestSet {
>         public static void main(String[] args) {
>             Set set = new HashSet();
>             for(int i = 0;i < 100;i++){
>                 set.add(new Dog(i));
>             }
>         }
>     }
>     class Dog {
>         private int age;
>         private String name;
>     
>         public Dog(int age) {
>             this.age = age;
>         }
>     
>         public int getAge() {
>             return age;
>         }
>     
>         public void setAge(int age) {
>             this.age = age;
>         }
>     
>         public String getName() {
>             return name;
>         }
>     
>         public void setName(String name) {
>             this.name = name;
>         }
>     
>         @Override
>         public int hashCode() {
>             return 100;
>         }

跟踪代码发现，在**第一次add**是判断在哈希表的**索引4为null**，**直接存入链表中**，（每一次Dog对象的hashCode，通过计算发现，每次都定位到索引为4处）第二次add方法时，还是定位到索引为4处，这时需要对链表每一个结点的key进行对比判断是否相同，相同就返回oldValue，

直到add执行8次后，发现在执行第九次add时，提取部分源代码分析：

>     final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
>                        boolean evict) {
>         ...
>          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;
>                 }
>         }
>     }

其中当**某个数组的索引处的链表结点数超过8时**，就执行**treeifyBin（）方法**，**以为这样就开始转为红黑树了？**？查看treeifyBin() 方法发现

>     final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
>             int n, index; Node<K,V> e;
>             if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
>                 resize();
>             else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
>                 TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
>                 do {
>                     TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
>                     if (tl == null)
>                         hd = p;
>                     else {
>                         p.prev = tl;
>                         tl.next = p;
>                     }
>                     tl = p;
>                 } while ((e = e.next) != null);
>                 if ((tab[index] = hd) != null)
>                     hd.treeify(tab);
>             }
>     }

table.length的大小必须大于等于64才会转为红黑树的，小于64（**MIN\_TREEIFY\_CAPACITY**）table继续扩容为之前的2倍.直到table的长度大于等于64（MIN\_TREEIFY\_CAPACITY）才会转红黑树.

**所以转红黑树条件：链表中的（结点）个数大于等于8，且数组table长度大于等于64，此时链表才会转为红黑树.****注意**：只要添加到到HashSet表中size++，直接添加到table中也会size++，在数组table的某个索引处的链表中也会size++.

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## 6、HashSet源码分析结论总结 ##

*  **HashSet底层是Hashmap**，key是变化的，value是固定的
 *  **添加元素时**，先通过hashCode计算得到hash值，转为对应的索引值
 *  找到存储数据表**table****（数组）**，看这个表索引位置是否已经存放元素，如果没有，直接添加，**如果有元素**，内部会先判断**链表的元素** 和 **要添加的ke**y**的hash是否一样**，接下来只要满足 **要加入的key** 和 **要判断的结点的key是否同一对象** == 或者  **要判断的结点的key的equals **和 **准备加入的key比较是否相同，如果不相同就添加到最后**（**equals一般都是需要重写，hashCode方法也是**）
 *  **如果一个链表的元素个数超过 8 **并且 table的长度大于等于 64 就转为**红黑树**，如果不满足就是仍然采用数组扩容机制
 *  扩容机制第一次添加时，table数组扩容到16，临界值（threshold）= 16 \* 加载因子 （默认是0.75） =12，当添加元素到12时，就开始自动扩容到32，这时的临界值（threshold）= 32 \* 0.75 = 24依次类推
 *  HashMap底层哈希表的长度必须是2的n次幂，不是2的n次幂也会转为2的n次幂.
 *  为什么链表中的个数大于等于8的时候才会转为链表？？ 经过空间的权衡，根据泊松分布推算出8最合适.

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