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HashMap 源码学习

本贴最后更新于 1623 天前，其中的信息可能已经事过景迁

HashMap 源码学习

本次学习的源码是

JDK 7

一、基础变量

下面 HashMap 内部维护的基础变量。

transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

transient int size;

int threshold;

final float loadFactor;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

table 是一个 Entry 类数组，Entry 类是 HashMap 内部维护的一个类。threshold 是容器的一个阈值，用来决定容器的扩容时机。loadFactor 是负载因子，默认值为 0.75。

下面是 Entry 的代码。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    int hash;

    /**
     * Creates new entry.
     */
    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }

    public final K getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return value;
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry e = (Map.Entry)o;
        Object k1 = getKey();
        Object k2 = e.getKey();
        if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
            Object v1 = getValue();
            Object v2 = e.getValue();
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                return true;
        }
        return false;
    }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
    }

    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }

    /**
     * This method is invoked whenever the value in an entry is
     * overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
     * in the HashMap.
     */
    void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
    }

    /**
     * This method is invoked whenever the entry is
     * removed from the table.
     */
    void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
    }
}

Entry 类维护的是一个单向链表结构，同 LinkedList 类似。主要的变量有 key，value，next，hash。

二、构造方法

下面是 HashMap 的构造方法。

public HashMap() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// this 方法
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;
    threshold = initialCapacity;
    init();
}

代码主要内容就是对 loadFactor 和 threshold 进行赋值。

三、添加元素 put

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    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++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

private void inflateTable(int toSize) {
    // Find a power of 2 >= toSize
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);

    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
    initHashSeedAsNeeded(capacity);
}

第一次调用 put 方法，程序会执行 inflateTable 方法为 table 分配一个容量，capacity 的默认值为 16。这里可以看到阈值 threshold 的计算 threshold = capacity * loadFactor。

根据 key 计算 hash 值。

int hash = hash(key);

final int hash(Object k) {
    int h = hashSeed;
    if (0 != h && k instanceof String) {
        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
    }

    h ^= k.hashCode();

    // This function ensures that hashCodes that differ only by
    // constant multiples at each bit position have a bounded
    // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

计算当前 key 值在 table 数组中应该存放的索引位置。

int i = indexFor(hash, table.length);

static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
    return h & (length-1);
}

这里 h & (length-1) 等同于 h&length 求模运算

接下来遍历单向链表，寻找是否存在当前 key 值，如果已经存在，直接修改对应的 value 值，并返回原来的 value 值。

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {}

modCount++ 记录容器结构性变化的次数。

链表中不存在当前元素 key 值时，调用 createEntry 添加一个新的元素。

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++;
}

四、根据 key 值获取元素 get

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);

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

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }

    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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;
}

如果 key 值为 null，调用 getForNullKey 找出 key 为 null 元素返回。如果 key 值不为 null，计算 key 对应的 hash 值，通过 hash 找到元素在数组中的位置，然后遍历 entry 链表，逐个查找。

五、是否包含 key 值 containsKey

public boolean containsKey(Object key) {
    return getEntry(key) != null;
}

就是调用上面的 getEntry 方法来寻找 key 值。

六、是否包含 value 值 containsValue

public boolean containsValue(Object value) {
    if (value == null)
        return containsNullValue();

    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;
    return false;
}

先遍历数组 table，再遍历每个链表，通过 equals 方法进行比较，可以看出这个方法的性能是比较差的。

七、移除元素 remove

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;
    }
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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--;
            if (prev == e)
                table[i] = next;
            else
                prev.next = next;
            e.recordRemoval(this);
            return e;
        }
        prev = e;
        e = next;
    }

    return e;
}

代码的主要逻辑为：

  1. 通过 key 找到元素在 table 数组中对应的索引位置。
  2. 遍历链表，通过 hash 值和 equals 方法寻找待删除的元素。
  3. 如果找到元素，容量减一，容器结构性变化次数加 1，将待删除元素的前后节点连接起来。
  4. recordRemoval 方法的实现是在空的，主要为 HashMap 的子类扩展使用。

（完）

  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

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