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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
- public class HashMap
extends AbstractMap - implements Map
, Cloneable, Serializable { - private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
- static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
- static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
- static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
- static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
- transient Node
[] table; - transient Set
> entrySet; - transient int size;
- transient int modCount;
- int threshold;
- 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):
- static class Node
implements Map.Entry { - //以下4行即為一個Entry
- final int hash;
- final K key; V value; Node
next; - Node(int hash, K key, V value, Node
next) { - this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next;
- }
HashMap的構(gòu)造函數(shù):
- //構(gòu)造函數(shù)1:指定初始容量和加載因子
- public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
- if (initialCapacity < 0)
- throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
- initialCapacity);
- /*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
- *量,則2的30次冪
- */
- if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
- initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
- //加載因子必須為正數(shù)
- if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
- throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
- loadFactor);
- this.loadFactor = loadFactor;
- //新的擴容閾值
- this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
- }
- //構(gòu)造函數(shù)2:指定初始容量
- public HashMap(int initialCapacity) {
- this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
- }
- //構(gòu)造函數(shù)3:無參數(shù)
- /**
- * Constructs an empty HashMap with the default initial capacity
- * (16) and the default load factor (0.75).
- */
- //可以通過注釋看到默認的初始值和加載因子
- public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
- }//構(gòu)造函數(shù)4:
- public HashMap(Map extends K, ? extends V> m) {
- this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
- putMapEntries(m, false);
- }
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:
- /**
- * Returns a power of two size for the given target capacity.
- */
- static final int tableSizeFor(int cap) {
- int n = cap - 1;
- n |= n >>> 1;
- n |= n >>> 2;
- n |= n >>> 4;
- n |= n >>> 8;
- n |= n >>> 16;
- return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
- }
HashMap的存?。?/p>
1)首先來看存儲:
- public V put(K key, V value) {
- return putVal(hash(key), key, value, false, true);
- }
- /**
- * Implements Map.put and related methods.
- *
- * @param hash hash for key
- * @param key the key
- * @param value the value to put
- * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
- * @param evict if false, the table is in creation mode.
- * @return previous value, or null if none
- */
- final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
- boolean evict) {
- Node
[] tab; Node p; int n, i; - //當當前數(shù)組為空時,先進行擴容
- //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
- if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
- n = (tab = resize()).length;
- //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
- if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
- tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
- //當前位置非空,產(chǎn)生哈希沖突
- else {
- Node
e; K k; - if (p.hash == hash &&
- ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
- e = p;
- //判斷當前是否已經(jīng)是以紅黑樹為存儲結(jié)構(gòu)
- else if (p instanceof TreeNode)
- e = ((TreeNode
)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); - else {
- for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
- //當遍歷到鏈表的尾端時,則把需要put的元素加進去
- if ((e = p.next) == null) {
- p.next = newNode(hash, key, value, null);
- //判斷沖突的節(jié)點數(shù)是否已經(jīng)達到閾值8
- //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
- //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
- if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
- treeifyBin(tab, hash);
- break;
- }
- if (e.hash == hash &&
- ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
- break;
- p = e;
- }
- }
- //如果有相同的key,則用新的value覆蓋舊的value,并把舊的value返回
- if (e != null) { // existing mapping for key
- V oldValue = e.value;
- if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
- e.value = value;
- afterNodeAccess(e);
- return oldValue;
- }
- }
- ++modCount;
- if (++size > threshold)
- resize();
- afterNodeInsertion(evict);
- return null;
- }
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>
- public V get(Object key) {
- Node
e; - return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
- }
- /**
- * Implements Map.get and related methods.
- *
- * @param hash hash for key
- * @param key the key
- * @return the node, or null if none
- */
- final Node
getNode(int hash, Object key) { - Node
[] tab; Node first, e; int n; K k; - //找到第一個插入的node
- if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
- (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
- if (first.hash == hash && // always check first node
- ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
- return first;
- //當first節(jié)點不是所查找的節(jié)點時
- if ((e = first.next) != null) {
- //判斷是否當前是否用紅黑樹來存儲
- if (first instanceof TreeNode)
- return ((TreeNode
)first).getTreeNode(hash, key); - //遍歷鏈表
- do {
- if (e.hash == hash &&
- ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
- return e;
- } while ((e = e.next) != null);
- }
- }
- return null;
- }
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
- /**
- * Initializes or doubles table size. If null, allocates in
- * accord with initial capacity target held in field threshold.
- * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the
- * elements from each bin must either stay at same index, or move
- * with a power of two offset in the new table.
- *
- * @return the table
- */
- final Node
[] resize() { - Node
[] oldTab = table; - int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
- int oldThr = threshold;
- int newCap, newThr = 0;
- if (oldCap > 0) {
- if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
- threshold = Integer.MAX_VALUE;
- return oldTab;
- }
- //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
- else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
- oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
- newThr = oldThr << 1; // double threshold
- }
- else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
- newCap = oldThr;
- //如果舊表的長度為0,則說明是第一次初始化
- else { // zero initial threshold signifies using defaults
- newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
- newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
- }
- if (newThr == 0) {
- float ft = (float)newCap * loadFactor;
- newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
- (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
- }
- threshold = newThr;
- @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
- Node
[] newTab = (Node [])new Node[newCap]; - table = newTab;
- if (oldTab != null) {
- for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
- Node
e; - if ((e = oldTab[j]) != null) {
- oldTab[j] = null;
- //e.next為null說明此位置沒有形成鏈表
- if (e.next == null)
- newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //重新計算該元素在新表中的位置并插入
- //判斷是否為紅黑樹存儲方式
- else if (e instanceof TreeNode)
- ((TreeNode
)e).split(this, newTab, j, oldCap); - else { // preserve order
- Node
loHead = null, loTail = null; - Node
hiHead = null, hiTail = null; - Node
next; - //遍歷鏈表
- do {
- next = e.next;
- //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
- if ((e.hash & oldCap) == 0) {
- if (loTail == null)
- loHead = e;
- else
- loTail.next = e;
- loTail = e;
- }
- else {
- if (hiTail == null)
- hiHead = e;
- else
- hiTail.next = e;
- hiTail = e;
- }
- } while ((e = next) != null);
- if (loTail != null) {
- loTail.next = null;
- newTab[j] = loHead;
- }
- if (hiTail != null) {
- hiTail.next = null;
- newTab[j + oldCap] = hiHead;
- }
- }
- }
- }
- }
- return newTab;
- }
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:
- HashIterator() {
- expectedModCount = modCount;
- Node
[] t = table; - current = next = null;
- index = 0;
- if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
- do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
- }
- }
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:
- final Node
nextNode() { - Node
[] t; Node e = next; if (modCount != expectedModCount) - throw new ConcurrentModificationException();
- ... }
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
<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


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