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[Java教程]JDK源码分析之集合04HashMap


一、前言

    HashMap是常用的Map实现类,其中可以保存一个key为null的键值对和任意多个key!=null但是value为null的键值对。

二、HashMap源代码分析

2.1、类的继承关系

//Map中定义了Map必须支持的一些操作,abstractMap中添加了其默认实现

public class HashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> implements Map<K, V>,

        Cloneable, Serializable


2.2内部类

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 (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^

(value==null ? 0 : value.hashCode());

}

 

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) {

}

}


此内部类定义了一个节点模型;每个节点中包含了:key、value、hash值和指向下一个节点的引用。为HashMap内部存储的数据结构

2.3私有属性

    // 默认初始化容量;必须为2的n次幂

    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    // HashMap的最大容量,为2的30次幂

    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    // 默认因子

    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

 

    // Entry数组,用于保存元素;长度必须为2的n次幂

    transient Entry<K, V>[] table;

 

    // map中元素的个数

    transient int size;

 

    /**

     * The next size value at which to resize (capacity * load factor).

     * 改变size的阈值=capacity*factor

     */

    int threshold;

 

    /**

     * The load factor for the hash table.

     */

    final float loadFactor;

    // 结构改变的次数

    transient int modCount;

 

    /**

     * The default threshold of map capacity above which alternative hashing is

     * used for String keys. Alternative hashing reduces the incidence of

     * collisions due to weak hash code calculation for String keys.

     * <p/>

     * This value may be overridden by defining the system property

     * {@code jdk.map.althashing.threshold}. A property value of {@code 1}

     * forces alternative hashing to be used at all times whereas {@code -1}

     * value ensures that alternative hashing is never used.

     */

    static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;


2.4构造函数

    // 使用 默认的capacity和factor创建空的HashMap

    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {

        // 检查参数的合法性

        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);

 

        // Find a power of 2 >= initialCapacity

        // 找到第一个大于initialCapacity的2的整次幂

        int capacity = 1;

        while (capacity < initialCapacity)

            capacity <<= 1;

 

        this.loadFactor = loadFactor;

        // 确定阈值

        threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);

        // 初始化hash表

        table = new Entry[capacity];

        useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted()

                && (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);

        init();

    }


此构造函数为核心构造函数,其他构造函数最终都是调用此函数实现

2.5、核心函数

1、get()函数

    /**

     * Returns the value to which the specified key is mapped, or {@code null}

     * if this map contains no mapping for the key.

     */

    // 返回值为null可能有两种情况:1不存在key-value对;2、key指向null

    public V get(Object key) {

        // 两种情况key==null和非null

        if (key == null)

            return getForNullKey();

        Entry<K, V> entry = getEntry(key);

 

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

    }

 

    private V getForNullKey() {

        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) {

        // 先获取key对应的hash值,若key为null,则hash值为0

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

        // 获取table的index=hash&table.length-1

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

            Object k;

            // 判断是否为指定key的map对:1、hash值相等;2、key为同个对象或者值相等

            if (e.hash == hash

                    && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

                return e;

        }

        return null;

    }


2、put()函数

    

    // 添加键值对,如果之前已存在,则覆盖之前的值

    public V put(K key, V value) {

        if (key == null)

            return putForNullKey(value);

        // 先获取key对应的hash值

        int hash = hash(key);

        // 然后获取hash值对应的index=hash&table.lenth-1

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

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

//如果索引链表中已经存在此节点;则覆盖之前的值

            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;

            }

        }

//如果索引处的Entry对象为null,则添加一个元素

        modCount++;

        addEntry(hash, key, value, i);

        return null;

    }

    private V putForNullKey(V value) {

        for (Entry<K, V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {

            if (e.key == null) {

                V oldValue = e.value;

                e.value = value;

                e.recordAccess(this);

                return oldValue;

            }

        }

        modCount++;

        addEntry(0, null, value, 0);

        return null;

    }

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {

            // 调整map的size

            resize(2 * table.length);

            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;

            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);

        }

 

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

    }

    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

        Entry<K, V> e = table[bucketIndex];

//新添加的元素指向之前的元素

        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);

        size++;

    }


说明:当HashMap添加元素时,如果key==null,则存放在table中0索引处,如果0索引出的链表中存在key==null的节点,则将此节点的值更新成最新值,如果不存在,则在链表的首部添加一个key为null的节点。如果key!=null,会首先调用hash()函数获取hash值,然后将调用indexFor函数获取存放table数组中的索引值;其中indexFor函数代码如下:

static int indexFor(int h, int length) {

return h & (length-1);

}


此处获取table数组index的方法设计较为巧妙:上面提到length必须为2的n此幂,因此在length大小合法的情况下值肯定是最高位为1其余低位为0,而length-1则为00..111…1的形式,再&h则可以保证所取的index一定是在table.length范围之内的。获取索引值后,对此索引出的链表遍历,如果链表中已经存在hash值相等切key相等则将原先的值覆盖,否则在链表的开头添加一个节点。其中在添加节点的时候会先判断table的大小有没有超过阈值且将要添加的table的index位置不为null,如果两者都满足,则调整table的大小重新获取索引值。

通过上面对put函数的分析,我们可以看出HashMap内部是使用数据+链表的数据结构保存数据的,数组中的每一个index位置都保存了一个链表。其中key==null的元素统一保存在数组索引为0的链表中,但是索引为0的链表中之多有一个节点,当第二次添加key==null的元素时会将之前的节点值覆盖;当key!=null时,通过对key的hash值运算得到索引,当hash值相等时索引的值也是相等的,当索引值相等,但是key不等的时候,就会在同一个索引位置添加多个元素,从而产生链表。另外在HashMap中存取元素都是使用hash值进行定位的,所以效率相对要高。

3、removeEntryForKey(Object key)函数

removeEntryForKey函数可以将指定key值的键值对删除,其代码如下:

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {

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;

}


删除键值对的步骤是:先找到键值对所在的table的index,然后用删除节点的方式删除键值对。




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