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詳解HashMap的使用及其實現(xiàn)

1.概述

HashMap可以說是在java中應用最頻繁Map類型了。HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步實現(xiàn)====>這里可以說明,它不能保證映射的順序,特別是它不能保證該順序亙古不變,因為加入的元素是根據(jù)哈希值來存儲的。HashMap允許存儲null的key值和null的value值。

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由于HashMap是基于哈希表來實現(xiàn)的,所以此實現(xiàn)假定哈希函數(shù)將元素適當?shù)胤植荚诟魍爸g,可為基本操作(get 和 put)提供穩(wěn)定的性能。迭代 collection 視圖所需的時間與 HashMap 實例的“容量”(桶的數(shù)量)及其大小(鍵-值映射關系數(shù))成比例。所以,如果迭代性能很重要,則不要將初始容量設置得太高或?qū)⒓虞d因子設置得太低。

需要注意的是:HashMap 不是同步的,如果多個線程同時訪問一個 HashMap,而其中至少一個線程從結(jié)構(gòu)上(指添加或者刪除一個或多個映射關系的任何操作)修改了,則必須保持外部同步,以防止對映射進行意外的非同步訪問。

2.實現(xiàn)原理

HashMap中的存儲方式是數(shù)組+鏈表+紅黑樹。其中數(shù)組的類型是Entry類型的數(shù)組,當我們往HashMap內(nèi)填充元素時,首先會計算其key的hashcode來重新計算key的hash值,并找到數(shù)組中對應的下標,如果該位置目前并沒有元素,則直接將該元素放入數(shù)組中;如果該位置目前已經(jīng)有了元素,則把新的元素加入到鏈表中。當元素的長度超過閾值(JDK1.8中該值為8)時,鏈表則會轉(zhuǎn)換為紅黑樹(轉(zhuǎn)換為紅黑樹還需要滿足其他的條件,鏈表長度達到閾值只是其中的一個條件),這樣會大大提高我們查找的效率。

HashMap的存儲結(jié)構(gòu)圖。當鏈表過長時(>=8),會轉(zhuǎn)換成紅黑樹來存儲,以便提高查找效率:

使用這種存儲方式是為了解決哈希碰撞的問題,換言之,鏈表中的每個key,都具有相同的哈希值。最極端的情況就是,當所有的元素都具有相同的哈希值,那么HashMap會退化為一個鏈表,查找時間也從O(1)上升到O(N)。當N越來越大時,get(key)方法的開銷也越來越大。因此,在JDK1.8里面加入了一個紅黑樹:當某個桶內(nèi)的記錄過大的話(>=8),HashMap會動態(tài)的使用一個專門的treemap實現(xiàn)來替換掉它。這樣做的結(jié)果會更好,是O(logn),而不是糟糕的O(n)。它是如何去工作的呢:

前面產(chǎn)生沖突的那些key對應的記錄只是簡單的追加到一個鏈表后面,這些記錄只能通過遍歷來進行查找。但是超過這個閾值后HashMap開始將列表升級成一個二叉樹,使用哈希值作為樹的分支變量,如果兩個哈希值不等,但指向同一個桶的話,較大的那個會插入到右子樹里。如果哈希值相等,HashMap希望key值最好是實現(xiàn)了Comparable接口的,這樣它可以按照順序來進行插入。

3.源碼及分析

首先看一下HashMap的定義以及一些屬性

 
 
 
 
  1. public class HashMap extends AbstractMap 
  2.     implements Map, Cloneable, Serializable { 
  3.     private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L; 
  4.     static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 
  5.     static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
  6.     static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 
  7.     static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 
  8.     transient Node[] table; 
  9.     transient Set> entrySet; 
  10.     transient int size; 
  11.     transient int modCount; 
  12.     int threshold; 
  13.     final float loadFactor; 

在這里我們可以看到,HashMap是繼承于AbstractMap,并且實現(xiàn)了Map, Cloneable, Serializable接口。其默認的初始容量為16(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4),最大容量為2的30次冪(MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30),默認的加載因子為0.75(即當HashMap目前存儲的元素超過其初始值加載因子,即160.75=12時,HashMap會進行擴容)。其他的我們可以看到TREEIFY_THRESHOLD = 8;表明當鏈表長度超過8時,會轉(zhuǎn)化為紅黑樹。

HashMap中涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

 
 
 
 
  1. static class Node implements Map.Entry { 
  2.       //以下4行即為一個Entry  
  3.        final int hash; 
  4.         final K key;        V value;        Node next; 
  5.         Node(int hash, K key, V value, Node next) { 
  6.             this.hash = hash;            this.key = key;            this.value = value;            this.next = next; 
  7.         } 

HashMap的構(gòu)造函數(shù):

 
 
 
 
  1. //構(gòu)造函數(shù)1:指定初始容量和加載因子 
  2.     public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { 
  3.         if (initialCapacity < 0) 
  4.             throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + 
  5.                                                initialCapacity); 
  6.         /*指定的初始容量如果大于最大容量,則默認以最大容量座作為初始容  
  7.          *量,則2的30次冪 
  8.           */    
  9.         if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) 
  10.             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; 
  11.         //加載因子必須為正數(shù) 
  12.         if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) 
  13.             throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + 
  14.                                                loadFactor); 
  15.         this.loadFactor = loadFactor; 
  16.         //新的擴容閾值 
  17.         this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 
  18.     } 
  19. //構(gòu)造函數(shù)2:指定初始容量 
  20.     public HashMap(int initialCapacity) { 
  21.         this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); 
  22.     } 
  23. //構(gòu)造函數(shù)3:無參數(shù) 
  24.    /** 
  25.      * Constructs an empty HashMap with the default initial capacity 
  26.      * (16) and the default load factor (0.75). 
  27.      */ 
  28. //可以通過注釋看到默認的初始值和加載因子 
  29.     public HashMap() {        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted 
  30.     }//構(gòu)造函數(shù)4: 
  31.     public HashMap(Map m) { 
  32.         this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; 
  33.         putMapEntries(m, false); 
  34.     } 

我們可以看到,即便我們指定了初始容量,初始容量也未必就是我們指定的大小,因為HashMap的容量始終都是2的次冪,所以當我們傳入一個指定的容量時,還會調(diào)用一個tableSizeFor(int cap)方法來計算容量的大小:

 
 
 
 
  1. /** 
  2.      * Returns a power of two size for the given target capacity. 
  3.      */ 
  4.     static final int tableSizeFor(int cap) { 
  5.         int n = cap - 1; 
  6.         n |= n >>> 1; 
  7.         n |= n >>> 2; 
  8.         n |= n >>> 4; 
  9.         n |= n >>> 8; 
  10.         n |= n >>> 16; 
  11.         return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; 
  12.     } 

HashMap的存?。?/p>

1)首先來看存儲:

 
 
 
 
  1. public V put(K key, V value) { 
  2.         return putVal(hash(key), key, value, false, true); 
  3.     } 
  4.     /** 
  5.      * Implements Map.put and related methods. 
  6.      * 
  7.      * @param hash hash for key 
  8.      * @param key the key 
  9.      * @param value the value to put 
  10.      * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 
  11.      * @param evict if false, the table is in creation mode. 
  12.      * @return previous value, or null if none 
  13.      */ 
  14.     final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 
  15.                    boolean evict) { 
  16.         Node[] tab; Node p; int n, i; 
  17.         //當當前數(shù)組為空時,先進行擴容 
  18.         //可以看出,在我們第一次調(diào)用put方法往HashMap添加元素之和,HashMap的size才開始是初始容量 
  19.         if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 
  20.             n = (tab = resize()).length; 
  21.         //當數(shù)組的當前位置為空時,直接創(chuàng)建一個新的節(jié)點并放進去 
  22.         if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 
  23.             tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 
  24.         //當前位置非空,產(chǎn)生哈希沖突 
  25.         else { 
  26.             Node e; K k; 
  27.             if (p.hash == hash && 
  28.                 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
  29.                 e = p; 
  30.             //判斷當前是否已經(jīng)是以紅黑樹為存儲結(jié)構(gòu) 
  31.             else if (p instanceof TreeNode) 
  32.                 e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 
  33.             else { 
  34.                 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 
  35.                     //當遍歷到鏈表的尾端時,則把需要put的元素加進去 
  36.                     if ((e = p.next) == null) { 
  37.                         p.next = newNode(hash, key, value, null); 
  38.                         //判斷沖突的節(jié)點數(shù)是否已經(jīng)達到閾值8 
  39.                         //如果達到8,則判斷HashMap的size是否已經(jīng)>=64,如果沒有則只進行擴容 
  40.                         //當HashMap的size >= 64并且沖突的節(jié)點數(shù)達到8時,用紅黑樹去存儲產(chǎn)生沖突的節(jié)點 
  41.                         if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 
  42.                             treeifyBin(tab, hash); 
  43.                         break; 
  44.                     } 
  45.                     if (e.hash == hash && 
  46.                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
  47.                         break; 
  48.                     p = e; 
  49.                 } 
  50.             } 
  51.             //如果有相同的key,則用新的value覆蓋舊的value,并把舊的value返回 
  52.             if (e != null) { // existing mapping for key 
  53.                 V oldValue = e.value; 
  54.                 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 
  55.                     e.value = value; 
  56.                 afterNodeAccess(e); 
  57.                 return oldValue; 
  58.             } 
  59.         } 
  60.         ++modCount; 
  61.         if (++size > threshold) 
  62.             resize(); 
  63.         afterNodeInsertion(evict); 
  64.         return null; 
  65.     } 

通過源碼可以看到,put(key, value)的過程為:

①檢查tab[]是否為空或null,如果是,則進行擴容

②根據(jù)鍵值計算其在數(shù)組中的下標i,如果tab[i] == null,則直接插入新建的節(jié)點

③若tab[i]已經(jīng)有元素存儲了,則判斷當前處理節(jié)點的方式為鏈表還是紅黑樹,分別處理

在存儲的時候,有一個細節(jié)需要注意一下:注意到p = tab[i = (n - 1) & hash],其中的數(shù)組下標是通過(n-1)&hash的方式來計算出來的,這里處理的非常巧妙:

對于任意給定的對象,只要它的 hashCode() 返回值相同,那么程序得到的 hash 碼值總是相同的。我們首先想到的就是把 hash 值對數(shù)組長度取模運算,這樣一來,元素的分布相對來說是比較均勻的。但是,“模”運算的消耗還是比較大的,而HashMap的底層數(shù)組的大小總是為2的n次冪,此時,h& (length-1)運算等價于對 length 取模,也就是 h%length。

舉個例子說明:

我們可以看到,當數(shù)組長度為15時,8或9與其相遇,都會產(chǎn)生相同的結(jié)果,此時就會發(fā)生哈希沖突,8和9都會放到數(shù)組中的同一個位置,形成鏈表,這樣會降低了查詢的效率。同時,我們可以發(fā)現(xiàn),當數(shù)組長度不為2的n次冪時,table.length-1永遠會有0存在,而0無論是和1還是0相與,結(jié)果都為0。比如說,長度為15,那么15-1=14,其二進制為1110,此時,無論什么數(shù)與1110相與,末尾都為0,這時候,0001,0011,0101,1001,1011,0111,1101 這幾個位置永遠都不能存放元素了,空間浪費相當大,更糟的是這種情況中,數(shù)組可以使用的位置比數(shù)組長度小了很多,這意味著進一步增加了碰撞的幾率,減慢了查詢的效率!而當數(shù)組的長度為2的n次冪時,table.length-1得到的二進制數(shù)的每個位上的值都為 1,這使得在低位上&時,得到的和原 hash 的低位相同,就使得只有相同的 hash 值的兩個值才會被放到數(shù)組中的同一個位置上形成鏈表。所以說,當數(shù)組長度為 2 的 n 次冪的時候,不同的 key 算得得 index 相同的幾率較小,那么數(shù)據(jù)在數(shù)組上分布就比較均勻,也就是說碰撞的幾率小,相對的,查詢的時候就不用遍歷某個位置上的鏈表,這樣查詢效率也就較高了

2)HashMap的讀?。?/p>

 
 
 
 
  1. public V get(Object key) { 
  2.         Node e; 
  3.         return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; 
  4.     } 
  5.     /** 
  6.      * Implements Map.get and related methods. 
  7.      * 
  8.      * @param hash hash for key 
  9.      * @param key the key 
  10.      * @return the node, or null if none 
  11.      */ 
  12.     final Node getNode(int hash, Object key) { 
  13.         Node[] tab; Node first, e; int n; K k; 
  14.         //找到第一個插入的node 
  15.         if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && 
  16.             (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) { 
  17.             if (first.hash == hash && // always check first node 
  18.                 ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
  19.                 return first; 
  20.             //當first節(jié)點不是所查找的節(jié)點時 
  21.             if ((e = first.next) != null) { 
  22.                 //判斷是否當前是否用紅黑樹來存儲 
  23.                 if (first instanceof TreeNode) 
  24.                     return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key); 
  25.                 //遍歷鏈表 
  26.                 do { 
  27.                     if (e.hash == hash && 
  28.                         ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 
  29.                         return e; 
  30.                 } while ((e = e.next) != null); 
  31.             } 
  32.         } 
  33.         return null; 
  34.     } 

在調(diào)用get(key)方法時,會先獲取可以的hash值,并計算得到此key在數(shù)組中的位置:first = tab[(n - 1) & hash],如果first節(jié)點不是需要獲取的key,則往下遍歷,直到找到需要獲取的鍵值,并返回對應的value即可。

HashMap的擴容機制

 
 
 
 
  1. /** 
  2.      * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in 
  3.      * accord with initial capacity target held in field threshold. 
  4.      * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the 
  5.      * elements from each bin must either stay at same index, or move 
  6.      * with a power of two offset in the new table. 
  7.      * 
  8.      * @return the table 
  9.      */ 
  10.     final Node[] resize() { 
  11.         Node[] oldTab = table; 
  12.         int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; 
  13.         int oldThr = threshold; 
  14.         int newCap, newThr = 0; 
  15.         if (oldCap > 0) { 
  16.             if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { 
  17.                 threshold = Integer.MAX_VALUE; 
  18.                 return oldTab; 
  19.             } 
  20.             //舊表的長度不為0,則把新表的容量設置為舊表容量的兩倍 
  21.             else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && 
  22.                      oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) 
  23.                 newThr = oldThr << 1; // double threshold 
  24.         } 
  25.         else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold 
  26.             newCap = oldThr; 
  27.         //如果舊表的長度為0,則說明是第一次初始化 
  28.         else {               // zero initial threshold signifies using defaults 
  29.             newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; 
  30.             newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); 
  31.         } 
  32.         if (newThr == 0) { 
  33.             float ft = (float)newCap * loadFactor; 
  34.             newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? 
  35.                       (int)ft : Integer.MAX_VALUE); 
  36.         } 
  37.         threshold = newThr; 
  38.         @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) 
  39.         Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap]; 
  40.         table = newTab; 
  41.         if (oldTab != null) { 
  42.             for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { 
  43.                 Node e; 
  44.                 if ((e = oldTab[j]) != null) { 
  45.                     oldTab[j] = null; 
  46.                     //e.next為null說明此位置沒有形成鏈表 
  47.                     if (e.next == null) 
  48.                         newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;  //重新計算該元素在新表中的位置并插入 
  49.                     //判斷是否為紅黑樹存儲方式 
  50.                     else if (e instanceof TreeNode) 
  51.                         ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap); 
  52.                     else { // preserve order 
  53.                         Node loHead = null, loTail = null; 
  54.                         Node hiHead = null, hiTail = null; 
  55.                         Node next; 
  56.                         //遍歷鏈表 
  57.                         do { 
  58.                             next = e.next; 
  59.                             //將鏈表的節(jié)點拆分為兩隊,e.hash&oldCap結(jié)果為0的一隊,結(jié)果為1的為另一隊 
  60.                             if ((e.hash & oldCap) == 0) { 
  61.                                 if (loTail == null) 
  62.                                     loHead = e; 
  63.                                 else 
  64.                                     loTail.next = e; 
  65.                                 loTail = e; 
  66.                             } 
  67.                             else { 
  68.                                 if (hiTail == null) 
  69.                                     hiHead = e; 
  70.                                 else 
  71.                                     hiTail.next = e; 
  72.                                 hiTail = e; 
  73.                             } 
  74.                         } while ((e = next) != null); 
  75.                         if (loTail != null) { 
  76.                             loTail.next = null; 
  77.                             newTab[j] = loHead; 
  78.                         } 
  79.                         if (hiTail != null) { 
  80.                             hiTail.next = null; 
  81.                             newTab[j + oldCap] = hiHead; 
  82.                         } 
  83.                     } 
  84.                 } 
  85.             } 
  86.         } 
  87.         return newTab; 
  88.     } 

當HashMap中的元素越來越多的時候,產(chǎn)生哈希沖突的幾率也就越來越大,畢竟數(shù)組的長度是固定的。為了減小哈希沖突的幾率,同時也是為了提高查詢效率,我們需要對HashMap適當?shù)倪M行擴容。而擴容也不是產(chǎn)生哈希沖突之后就開始執(zhí)行,而是要滿足一定條件之后才擴容:當HashMap中元素的個數(shù)已經(jīng)達到閾值,則table.length * loadFactory,比如說采用無參數(shù)構(gòu)造器去創(chuàng)建一個HashMap,那么table.length * loadFactory = 16 * 0.75 == 12,即當HashMap中的元素個數(shù)達到12時,HashMap才開始擴容。擴容之后的大小為之前的兩倍。我們在源碼中可以看到,擴容是一項很費時的操作,如果我們能夠預知HashMap中元素的個數(shù),那么在初始化時指定初始值以及加載因子來規(guī)避擴容,也是提高性能的一種方法。

Fail-Fast機制

原理

fail-fast 機制是 java 集合(Collection)中的一種錯誤機制。 當多個線程對同一個集合的內(nèi)容進行操作時,就可能會產(chǎn)生 fail-fast 事件。

比如說,在線程A通過 iterator去訪問集合時,如果有其他線程修改了該集合,那么A線程這里就會拋出 ConcurrentModificationException 異常,產(chǎn)生 fail-fast 事件。

我們知道,java.util.HashMap不是線程安全的,在多線程的環(huán)境中,如果A線程正在通過iterator去訪問這個map,而其他線程則修改了該map,那么A線程就會拋出一個ConcurrentModificationException異常。

這個策略在源碼中的實現(xiàn)則是通過modCount,每一次修改map中的內(nèi)容,modCount的值都會增加,在迭代器開始的過程中,會把modCount的值賦給迭代器的 expectedModCount:

 
 
 
 
  1. HashIterator() { 
  2.             expectedModCount = modCount; 
  3.             Node[] t = table; 
  4.             current = next = null; 
  5.             index = 0; 
  6.             if (t != null && size > 0) { // advance to first entry 
  7.                 do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null); 
  8.             } 
  9.         } 

在迭代過程中,判斷 modCount 跟 expectedModCount 是否相等,如果不相等就表示已經(jīng)有其他線程修改了 map:

 
 
 
 
  1. final Node nextNode() { 
  2.             Node[] t;            Node e = next;            if (modCount != expectedModCount) 
  3.                 throw new ConcurrentModificationException(); 
  4.             ...        } 

注意,迭代器的快速失敗行為不能得到保證,一般來說,存在非同步的并發(fā)修改時,不可能作出任何堅決的保證??焖偈〉鞅M最大努力拋出 ConcurrentModificationException。因此,編寫依賴于此異常的程序的做法是錯誤的,正確做法是:迭代器的快速失敗行為應該僅用于檢測程序錯誤。

解決方案

fail-fast 機制,是一種錯誤檢測機制。它只能被用來檢測錯誤,因為 JDK 并不保證 fail-fast 機制一定會發(fā)生。若在多線程環(huán)境下使用 fail-fast 機制的集合,建議使用“java.util.concurrent 包下的類”去取代“java.util 包下的類”。

與Hashtable的比較

相同點:

①都是基于哈希表實現(xiàn)的,并且里面存儲的元素都是key-value對

②當產(chǎn)生哈希沖突時,內(nèi)部都會通過單鏈表去解決沖突問題(當然JDK1.8中HashMap中加入了紅黑樹)

③內(nèi)部容量不足時,都會自動進行擴容

④都實現(xiàn)了Map、Cloneable、Serializable接口,可以被克隆,支持序列化

區(qū)別:

①繼承的父類不同

HashMap繼承的是AbstractMap,而Hashtable繼承的是Dictionary

②線程安全性不同

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文章標題:詳解HashMap的使用及其實現(xiàn)
網(wǎng)頁地址:http://www.dlmjj.cn/article/codspjc.html