JDK7中HashMap源码分析

ゝ一世哀愁。 2022-11-09 14:12 199阅读 0赞

由于目前大部分都是使用JDK8进行开发，JDK7 HashMap的源码不好找，这里贴上JDK7 HashMap的源码在线阅读地址：[`__java7 HashMap__`][java7 HashMap]，方便大家学习。

## 数据结构 ##

HashMap内部采用数组+单向链表的数据结构来实现。HashMap内部维护一个数组，然后数组中每个元素是一个个单向链表。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

HashMap的几个关键属性：

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; // 默认的初始容量是16，必须是2的幂。
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 最大容量（必须是2的幂且小于2的30次方，传入容量过大将被这个值替换）
    transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE; // 存储元素的数字，默认为{}
    transient int size; // 数组的长度
    int threshold; // 扩容的阈值，等于capacity*loadFactor
    final float loadFactor; // 负载因子，默认为0.75。
    transient int modCount; // 记录数组被改变的次数，用于实现fail-fast机制

再看一下数组的元素Entry的属性：

static class Entry<K, V> implements Map.Entry<K, V> { 
        final K key;
        V value;
        Entry<K, V> next; 
    // 下一个节点
        int hash;
     // 当前key的hash值

## 构造方法 ##

HashMap有多个重载的构造方法，最后都会调用到下面这个构造方法中来：

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;
     // 默认0.75f
        threshold = initialCapacity;
     // 默认为16
        init();
     // 空实现
    }

构造方法中只是初始化了loadFactor和threshold，并没有初始化数组，在第一次添加元素时才初始化数组。

## put() ##

public V put(K key, V value) { 
        // 当插入第一个元素的时候，需要先初始化数组大小，懒初始化
        if (table == EMPTY_TABLE) { 
            inflateTable(threshold);
        }
        // 如果 key 为 null，将这个 entry 放到 table[0] 中
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
    
        // 求 key 的 hash 值
        int hash = hash(key);
    
        // 找到对应的数组下标
        int i = indexFor(hash, table.length);
    
        // 遍历一下对应下标处的链表，看key是否存在，如果有，直接覆盖并返回旧值
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { 
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { 
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
    
        modCount++;
        // key不存在，将此 entry 添加到链表头部
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

### inflateTable() ###

数组的初始化：

private void inflateTable(int toSize) { 
        // 保证数组大小一定是2的n次方。比如这样初始化：new HashMap(20)，那么处理成初始数组大小是32
        int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
    
        // 计算扩容阈值：capacity * loadFactor
    ，一开始为16*0.75=12
        threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    
        // 初始化数组
        table = new Entry[capacity];
        initHashSeedAsNeeded(capacity);
    }

### indexFor() ###

计算key在数组的位置。

static int indexFor(int h, int length) { 
        // 在数组大小是2的n次方情况下，h&length-1相当于h%length，位运算更快
        return h & (length-1);
    }

### addEntry() ###

添加节点到链表中（头插法）。

// 如果当前数组大小已经达到了阈值，并且新值要插入的数组位置已经有元素了，那么要扩容
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { 
            // 扩容为数组长度的两倍
            resize(2 * table.length);\
            // 扩容后重新计算hashcode
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            // 扩容后重新计算数组下标
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }
    
        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }
    
    // 将新值放到链表的表头，然后 size++
    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { 
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

### resize() ###

扩容为原来数组长度的两倍，扩容时链表上的元素会反转。

void resize(int newCapacity) { 
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { 
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
    
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
     // 创建新数组
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
     // 旧数组的数组添加到新数组中
        table = newTable;
     // 新数组替换旧数组
        threshold = (int) Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }
    
    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { 
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K, V> e : table) { 
            while (null != e) { 
                Entry<K, V> next = e.next;
                if (rehash) { 
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
     // 获取key在数组中的下标
                e.next = newTable[i];
     // 插入到链表的头结点
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

## get() ##

public V get(Object key) { 
        // key=null，会被放到table[0]，所以只要遍历下table[0]处的链表就可以了
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);
    
        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }
    
    // 获取key为null的value
    private V getForNullKey() { 
        if (size == 0) { 
            return null;
        }
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) { 
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }
    
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) { 
        if (size == 0) { 
            return null;
        }
    
        // 计算hash
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    
        // 确定数组下标，然后从头开始遍历链表，直到找到为止
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) { 
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

## 死循环问题 ##

在多线程的情况下，resize()会发生死锁，因为如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了，它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中，存储在链表中的元素的次序会反过来，因为移动到新的bucket位置的时候，HashMap并不会将元素放在链表的尾部，而是放在头部，这是为了避免尾部遍历。如果条件竞争发生了，那么就会产生死循环了。

下面演示一下死锁的发生过程：

假设现在HashMap的结构如下：

![在这里插入图片描述][20210315165545468.png_pic_center]

下面再回顾一下扩容的源码：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { 
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K, V> e : table) { 
            while (null != e) { 
                Entry<K, V> next = e.next; // #1
                if (rehash) { 
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

假设现在线程A执行到\#1代码处时，让出CPU执行权，线程B开始执行扩容并完成，此时HashMap的结构如下（假设扩容后新的索引都为2）：

![在这里插入图片描述][20210315165555112.png_pic_center]

然后线程A开始执行，此时e=a，e.next=b，然后执行下面三行代码：

e.next = newTable[i];
    newTable[i] = e;
    e = next;

![在这里插入图片描述][20210315165605112.png_pic_center]

此时已形成循环链表，最后e=e.next，下轮循环开始时e=b，e.next=a，这样下去e.next永远不可能为空，就会陷入死循环。

## 如何解决HashMap的线程不安全问题？ ##

1.  使用Hashtable，不推荐使用，Hashtable内部是直接在所有方法上面添加synchronized实现同步，保证线程安全，造成锁的颗粒度太大，不适合高并发场景。
2.  将HashMap进行同步包装`Collections.SynchronizedMap()`，其底层与Hashtable类似。
3.  推荐使用ConcurrentHashMap。

[java7 HashMap]: http://hg.openjdk.java.net/jdk7u/jdk7u60/jdk/file/33c1eee28403/src/share/classes/java/util/HashMap.java
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221023/15b4a09e82bb4bf885b594a662069b89.png
[20210315165545468.png_pic_center]: /images/20221023/ae324f529b51453888a25064f48b5c15.png
[20210315165555112.png_pic_center]: /images/20221023/274351cc9cb2425787319337644565a9.png
[20210315165605112.png_pic_center]: /images/20221023/36a2a24ed78a4397af4226465a56f881.png