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JDK源代码分析聚集篇——-HashMap(一队不够快，多排几队就是)

2019年06月12日 ⁄ 编程语言 ⁄ 共 11054字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 评论关闭
众所周知，Map是用来存储键值对的数据的，而且他的好处就是根据键值能够快速定位，技能保持这ArrayList的优势，又能够保持LinkedList的容易删除和增加的优势，那么我们来分析分析他的实现机理，老规矩，先给出类图：

首先先来分析一下HashMap

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

最大容量2的15次方+1；
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

默认加载因子：
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

内部实现的机制是用具有键值对格式的单个的entry数组实现：

  1. transient Entry[] table;
  3.    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  4.         final K key; //键
  5.         V value;    // 值
  6.         Entry<K,V> next;  //下一个
  7.         final int hash;   //哈西值
  9.         /**
  10.          * Creates new entry.
  11.          */
  12.         Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
  13.             value = v;
  14.             next = n;
  15.             key = k;
  16.             hash = h;
  17.         }
  19.         public final K getKey() {
  20.             return key;
  21.         }
  23.         public final V getValue() {
  24.             return value;
  25.         }
  27.         public final V setValue(V newValue) {
  28.         V oldValue = value;
  29.             value = newValue;
  30.             return oldValue;
  31.         }
  33.         public final boolean equals(Object o) {
  34.             if (!(o instanceof Map.Entry))
  35.                 return false;
  36.             Map.Entry e = (Map.Entry)o;
  37.             Object k1 = getKey();
  38.             Object k2 = e.getKey();
  39.             if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
  40.                 Object v1 = getValue();
  41.                 Object v2 = e.getValue();
  42.                 if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
  43.                     return true;
  44.             }
  45.             return false;
  46.         }
  48.         public final int hashCode() {
  49.             return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^
  50.                    (value==null ? 0 : value.hashCode());
  51.         }
  53.         public final String toString() {
  54.             return getKey() + "=" + getValue();
  55.         }
  58.         void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
  59.         }
  61.         void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
  62.         }
  63.     }

当前的数组大小：
transient int size;

构造函数初始化：
设置初始化的容积和加载因子

  1. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
  3.         //初始化容积必须大于0
  4.         if (initialCapacity < 0)
  5.             throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
  6.                                                initialCapacity);
  7.         //超过最大容积的时候，那么等于最大容积
  8.         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
  9.             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  11.         //初始化加载因子；
  12.         if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
  13.             throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
  14.                                                loadFactor);
  16.         //找出一个数的平方大于当前给出的初始化容积，比如是初始化是10的话，那么最终的容积就是16
  17.         int capacity = 1;
  18.         while (capacity < initialCapacity)
  19.             capacity <<= 1;
  21.         this.loadFactor = loadFactor;
  22.         threshold = (int)(capacity * loadFactor);
  24.         //用容积来初始化数组大小；size当前还是为0；
  25.         table = new Entry[capacity];
  27.         //初始化动作，可以留给子类实现，模板模式的应用
  28.         init();
  29.     }

 这是一个hashcode的转换算法；他能够把对象的hashcode转换成为小于length-1的整数作为数组的下标；那么势必会出现重合

  1.     static int hash(int h) {
  2.         h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
  3.         return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
  4.     }
  6.     static int indexFor(int h, int length) {
  7.         return h & (length-1);
  8.     }

我们先看增加方法：

  1.  public V put(K key, V value) {
  2.         //判断键值是否为空；
  3.         if (key == null)
  4.             return putForNullKey(value);
  5.         
  6.         //得到hashcode
  7.         int hash = hash(key.hashCode());
  8.         //得到一个小于数组长度（取的是与操作）的下标
  9.         int i = indexFor(hash, table.length);
  10.         //在数组中找到该下标的entry值；
  11.         //事实上entry也是一个链表，相对于LinkedList来说，他的entry是单向的
  12.         for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
  13.             Object k;
  14.             //如果存在键值是同一对象的entry,那么用新值覆盖旧值，不存在则再往下找，知道末尾
  15.             if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
  16.                 V oldValue = e.value;
  17.                 e.value = value;
  18.                 e.recordAccess(this);
  19.                 return oldValue;
  20.             }
  21.         }
  22.         //增加修改次数
  23.         modCount++;
  24.         //增加这个entry到该下标列表的首部
  25.         addEntry(hash, key, value, i);
  26.         return null;
  27.     }
  29.     void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  30.     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
  31.         //可见是放在該下标链表的第一位的
  32.         table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
  33.         //在这里增加了size;
  34.         if (size++ >= threshold)
  35.             resize(2 * table.length);
  36.     }

如果key是null的话：
 那么他可以不用通过hashcode定位数组中的队列下标-_-||事实上他也没有hashcode；规定在0位存放这个链表的头；可见在HashMap中是可以

存放null的key的；但是正因为其没有hashcode那么就只能存放一个元素，而不是像其他一样能存放多个；但是另外我们可见，你可以考虑把使

用的最多的值的键设置成为null，因为他是找到的最快的；

  2. private V putForNullKey(V value) {
  3.         for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
  4.             if (e.key == null) {
  5.                 V oldValue = e.value;
  6.                 e.value = value;
  7.                 e.recordAccess(this);
  8.                 return oldValue;
  9.             }
  10.         }
  11.         modCount++;
  12.         addEntry(0, null, value, 0);
  13.         return null;
  14.     }

上面说了存放了，下面我们再来看看如何取出来把：

  1. final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
  2.         //经过算法得到这个key对应的hashcode，可见hashcode是固定的对应，而不是随机的；如果是null的话为0，经过与操作还是0，直接 
  4.        //定位到table[0]否则查找出下标
  5.        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
  6.         for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
  7.              e != null;
  8.              e = e.next) {
  9.             Object k;
  10.      //匹配这个key的hashcode和数值，可见不是同一的值其hashcode是可能一样的，否则如果是一一对应则没必要匹配key了
  11.             if (e.hash == hash &&
  12.                 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
  13.                 return e;
  14.         } 
  15.     //没有找到，为空；
  16.        return null;

我们再来看看其容量是如何增长的：

  1.     public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
  2.         //得到新增加进来的元素的个数
  3.         int numKeysToBeAdded = m.size();
  4.         if (numKeysToBeAdded == 0)
  5.             return;
  6.          //如果新增加的元素个数大于原来容积*加载因子；可见我们必须要扩充容量了
  7.         if (numKeysToBeAdded > threshold) {
  8.             //那么我们增加的容量将是该新增元素个数+预留空间的总数
  9.             int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
  10.             if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
  11.                 targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  12.             int newCapacity = table.length;
  13.             //如果我们现在的表的容量小于新增加的容量，那么我们扩展两倍，如果还小，再扩大两倍，直到他的大于当前需要的容量
  14.             while (newCapacity < targetCapacity)
  15.                 newCapacity <<= 1;
  16.             if (newCapacity > table.length)
  17.                 resize(newCapacity);
  18.         }
  19.         
  20.         //添置新的"家具"
  21.         for (Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> i = m.entrySet().iterator(); i.hasNext(); ) {
  22.             Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = i.next();
  23.             put(e.getKey(), e.getValue());
  24.         }
  25.     }

用新的容积开辟了一块足够大的存储空间，

  1. void resize(int newCapacity) {
  2.         Entry[] oldTable = table;
  3.         int oldCapacity = oldTable.length;
  4.         if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
  5.             threshold = Integer.MAX_VALUE;
  6.             return;
  7.         }
  9.         Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
  10.         transfer(newTable);
  11.         table = newTable;
  12.         threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
  13.     }
  14. 并且把家具从以前的“小房子”帮到了“大房子”
  15.  void transfer(Entry[] newTable) {
  16.         Entry[] src = table;
  17.         int newCapacity = newTable.length;
  18.         for (int j = 0; j < src.length; j++) {
  19.             //得到各个数组元素的链表的头
  20.             Entry<K,V> e = src[j];
  21.             if (e != null) {
  22.                 src[j] = null; //一定要把原来的“小房子”收拾好，方便垃圾回收；
  23.                 do {
  24.                     Entry<K,V> next = e.next;
  25.                     int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
  26.                     e.next = newTable[i];
  27.                     newTable[i] = e;
  28.                     e = next;
  29.                 } while (e != null);
  30.             }
  31.         }
  32.     }

新增，查找，都看过了，我们来看一下删除：

  1. public V remove(Object key) {
  2.         Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
  3.         return (e == null ? null : e.value);
  4.     }
  6.   
  7.     final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
  8.         //定位查找到链表表头；
  9.         int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
  10.         int i = indexFor(hash, table.length);
  11.         Entry<K,V> prev = table[i];
  12.         Entry<K,V> e = prev;
  14.         while (e != null) {
  15.             Entry<K,V> next = e.next;
  16.             Object k;
  17.             if (e.hash == hash &&
  18.                 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
  19.                 modCount++;
  20.                 //若能找到，修改前后的链表节点的指向，从中删除；
  21.                 size--;
  22.                 if (prev == e)
  23.                     table[i] = next;
  24.                 else
  25.                     prev.next = next;
  26.                 e.recordRemoval(this);
  27.                 return e;
  28.             }
  29.             //方便链表往下传递；保存prev是因为是单向链表，所以一旦找到的目标节点，无法通过该节点得到钱一个节点，就无法更改前
  31. 一个节点的指//向，所以要保存prev
  32.             prev = e;
  33.             e = next;
  34.         }
  36.         return e;
  37.     }

现在我们再看一下如何单独取到他的键值集合或者值集合:

  1. values实现了一个内部私有类；
  2.   public Collection<V> values() {
  3.         Collection<V> vs = values;
  4.         return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
  5.     }
  7. //AbstractCollection<V> 把一些基本的curd委托给了iteartor，所以只需重载其获取iteartor的方法；
  8.     private final class Values extends AbstractCollection<V> {
  9.         
  10.         //重载了iteartor
  11.         public Iterator<V> iterator() {
  12.             return newValueIterator();
  13.         }
  14.         public int size() {
  15.             return size;
  16.         }
  17.         public boolean contains(Object o) {
  18.             return containsValue(o);
  19.         }
  20.         public void clear() {
  21.             HashMap.this.clear();
  22.         }
  23.     }
  24. 下面是该iteartor的获取：其中主要的是看看我们获取的value的collection是如何排序的；
  26.     private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
  27.         Entry<K,V> next;    // next entry to return
  28.         int expectedModCount;   // For fast-fail
  29.         int index;      // current slot
  30.         Entry<K,V> current; // current entry
  32.         HashIterator() {
  33.             expectedModCount = modCount;
  34.             //如果该HashMap有元素
  35.             if (size > 0) { // advance to first entry
  36.                 Entry[] t = table;
  37.                 然后把next和index都调至该table数组的链表头中不为空的地方；
  38.                 while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
  39.                     ;
  40.             }
  41.         }
  43.         public final boolean hasNext() {
  44.             return next != null;
  45.         }
  47.         final Entry<K,V> nextEntry() {
  48.             if (modCount != expectedModCount)
  49.                 throw new ConcurrentModificationException();
  50.             Entry<K,V> e = next;
  51.             if (e == null)
  52.                 throw new NoSuchElementException();
  53.             //代表这个链表遍历完成了，需要开始遍历下一个table下标的链表了
  54.             if ((next = e.next) == null) {
  55.                 Entry[] t = table;
  56.             //找到下一个不为空的table元素
  57.                 while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
  58.                     ;
  59.             }
  60.         current = e;
  61.             return e;
  62.         }
  64.         public void remove() {
  65.             if (current == null)
  66.                 throw new IllegalStateException();
  67.             if (modCount != expectedModCount)
  68.                 throw new ConcurrentModificationException();
  69.             Object k = current.key;
  70.             current = null;
  71.             HashMap.this.removeEntryForKey(k);
  72.             expectedModCount = modCount;
  73.         }
  75.     }
  78. ValueIterator ：
  80.  private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
  81.         public V next() {
  82.             return nextEntry().value;
  83.         }
  84.     }

这是我们会问加入我在这个value的collection中增加元素会出现什么样的情况呢，次序会不会打乱，对不起，AbstractCollection不存在add

的，iteartor也是不允许增加元素的；

对于来说keySet来说是同理的，不过因为key是不存在一样的，所以，我们不会返回collection而返回set,避免了重复key的出现；

好，我们今天先把HashMap分析完成；

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