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Java基础——HashMap源码分析

标签: java面试题hashmaphash
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Java基础——HashMap源码分析


本篇文章包含以下内容,请点击左上角+号展开目录

  • 什么是HashMap
  • HashMap的数据结构
  • HashMap的存储
  • HashMap的读取
  • HashMap简单归纳
  • HashMap的hash算法
  • HashMap的容量
  • HashMap的resize(rehash)
  • HashMap的构造方法
  • HashMap的Fail-Fast机制
  • HashMap的两种遍历方式
  • HashMap的面试题解答

一、什么是HashMap

  1. HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现
  2. HashMap中元素的key是唯一的、value值可重复
  3. HashMap允许使用null值和null键
  4. HashMap中的元素是无序的

二、HashMap的数据结构

HashMap是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体,如图所示

从图中看出,HashMap底层就是一个数组结构,数组中的每一项又是一个链表,当新建一个 HashMap 的时候,就会初始化一个数组,我们可以查看HashMap源码,在构造函数中

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);

    // Find a power of 2 >= initialCapacity
    int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)
        capacity <<= 1;

    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
    useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
            (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
    init();
}

第18行代码table = new Entry[capacity];创建了一个 Entry 的数组,也就是图中的table数组,那么 Entry 又是什么结构呢?

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

Entry是一个static class,其中包含了 key 和 value,也就是键值对,另外还包含了一个next的Entry指针。我们可以总结出Entry就是数组中的元素,每个Entry其实就是一个key-value对,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表

三、HashMap的存储

知道HashMap的数据结构之后,下面就来研究如何把元素存进HashMap中

/**
 * Associates the specified value with the specified key in this map.
 * If the map previously contained a mapping for the key, the old
 * value is replaced.
 *
 * @param key key with which the specified value is to be associated
 * @param value value to be associated with the specified key
 * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
 *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
 *         (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
 *         previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
 */
public V put(K key, V value) {
    //其允许存放null的key和null的value,当其key为null时,调用putForNullKey方法,放入到table[0]的这个位置
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    //通过调用hash方法对key进行哈希,得到哈希之后的数值。该方法实现可以通过看源码,其目的是为了尽可能的让键值对可以分不到不同的桶中
    int hash = hash(key);
    //根据上一步骤中求出的hash得到在数组中是索引i
    int i = indexFor(hash, table.length);
    //如果i处的Entry不为null,则通过其next指针不断遍历e元素的下一个元素。
    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;
}

在官方注释中提到:当调用我们put方法的时候

  1. 如果key存在,key不会覆盖,新的value会代替旧的value,该方法返回的是旧的 value
  2. 如果key不存在,该方法返回的是null

在源代码中可以看出:当我们往HashMap中put元素的时候

  1. 根据key的hashCode重新计算hash值,根据hash值得到这个元素在数组中的位置(即下标)
  2. 如果数组该位置上已经存放有其他元素,那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,最先加入的放在链尾
  3. 如果数组该位置上没有元素,就直接将该元素放到此数组中的该位置上

addEntry(hash, key, value, i)方法的作用:

  1. 根据计算出的hash值,找到数组table对应的i索引位置,取出数组table的i索引处的key-value(旧的)
  2. 将新的key-value放在数组table的i索引处,并将新的key-value的next指向旧的key-value,从而形成链表
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //如果数组大小不够,会扩充数组大小,后面会讲到
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        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) {
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处,并让新的 Entry 指向原来的 Entr
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

当系统决定存储HashMa 中的key-value时,完全没有考虑Entry中的value,仅仅只是根据key来计算并决定每个Entry的存储位置。我们完全可以把Map集合中的value当成key的附属,当系统决定了key的存储位置之后,value随之保存在那里

四、HashMap的读取

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) {
    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;
}

从上面的源代码中可以看出:

  1. 从HashMap中get元素时,首先计算key的hashCode,找到数组中对应位置的某一元素
  2. 通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素

五、HashMap简单归纳

简单地说,HashMap在底层将key-value当成一个整体进行处理,这个整体就是一个Entry对象。HashMap底层采用一个 Entry[]数组来保存所有的key-value,当需要存储一个Entry对象时,会根据 hash 算法来决定其在数组中的存储位置,在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置;当需要取出一个Entry时,也会根据hash算法找到其在数组中的存储位置,再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry

六、HashMap的hash算法

在HashMap的存储和读取中,都用到了hash()这个算法,hash(int h)方法是根据key的hashCode重新计算一次散列。此算法加入了高位计算,防止低位不变,高位变化时,造成的hash冲突

final int hash(Object k) {
    int h = 0;
    if (useAltHashing) {
        if (k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }
        h = hashSeed;
    }
    //得到k的hashcode值
    h ^= k.hashCode();
    //进行计算
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

我们知道HashMap中要找到某个元素时,需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过HashMap的数据结构是数组和链表的结合,所以我们当然希望这个HashMap里面的元素位置尽量分布均匀些,尽量使得每个位置上的元素数量只有一个,那么当我们用hash算法求得这个位置的时候,马上就可以知道对应位置的元素就是我们要读取的,而不用再去遍历链表,这样就大大优化了查询的效率

七、HashMap的容量

对于任意给定的对象,只要它的hashCode()返回值相同,那么程序调用hash(int h)方法所计算得到的hash码值总是相同的。我们首先想到的就是把hash值对数组长度取模运算,这样一来,元素的分布相对来说是比较均匀的。但是,“模”运算的消耗还是比较大的,在HashMap中是这样做的,调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在table数组的哪个索引处

static int indexFor(int h, int length) {  
    return h & (length-1);
}

这个方法非常巧妙,它通过 h & (table.length -1) 来得到该对象的保存位,而HashMap底层数组的长度总是 2 的 n 次方,这是HashMap在速度上的优化。在HashMap构造器中有如下代码:

int capacity = 1;
    while (capacity < initialCapacity)  
        capacity <<= 1;

这段代码保证初始化时HashMap的容量总是 2 的 n 次方,即底层数组的长度总是为 2 的 n 次方。当length总是 2 的 n 次方时,h& (length-1)运算等价于对 length 取模,也就是 h%length,但是 & 比 % 具有更高的效率。这看上去很简单,其实比较有玄机的,我们举个例子来说明,假设数组长度分别为 15 和 16,优化后的 hash 码分别为 8 和 9,那么 & 运算后的结果如下:

h & (table.length-1) hash table.length-1 结果
8 & (15-1) 0100 & 1110 = 0100
9 & (15-1) 0101 & 1110 = 0100
8 & (16-1) 0100 & 1111 = 0100
9 & (16-1) 0101 & 1111 = 0101


从上面的例子中可以看出:当它们和 15-1(1110)“与”的时候,产生了相同的结果,也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去,这就产生了碰撞,8 和 9 会被放到数组中的同一个位置上形成链表,那么查询的时候就需要遍历这个链表,得到8或者9,这样就降低了查询的效率。同时,我们也可以发现,当数组长度为 15 的时候,hash 值会与 15-1(1110)进行“与”,那么最后一位永远是 0,而 0001,0011,0101,1001,1011,0111,1101 这几个位置永远都不能存放元素了,空间浪费相当大,更糟的是这种情况中,数组可以使用的位置比数组长度小了很多,这意味着进一步增加了碰撞的几率,减慢了查询的效率!而当数组长度为16时,即为2的n次方时,2n-1 得到的二进制数的每个位上的值都为 1,这使得在低位上&时,得到的和原 hash 的低位相同,加之 hash(int h)方法对 key 的 hashCode 的进一步优化,加入了高位计算,就使得只有相同的 hash 值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。所以说,当数组长度为 2 的 n 次幂的时候,不同的 key 算得得 index 相同的几率较小,那么数据在数组上分布就比较均匀,也就是说碰撞的几率小,相对的,查询的时候就不用遍历某个位置上的链表,这样查询效率也就较高了

八、HashMap的resize(rehash)

当 HashMap 中的元素越来越多的时候,hash冲突的几率也就越来越高,因为数组的长度是固定的,所以为了提高查询的效率,就要对HashMap的数组进行扩容,在HashMap数组扩容之后,最消耗性能的点是:原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去,这就是 resize(rehash)

那么HashMap什么时候进行扩容呢?当HashMap中的元素个数超过(数组大小 *loadFactor)时,就会进行数组扩容,loadFactor指的是负载因子,从字面上理解就是HashMap能够承受住自身负载(大小或容量)的因子,loadFactor的默认值为 0.75,这是一个折中的取值。也就是说,默认情况下,数组大小为 16,那么当HashMap中元素个数超过 16*0.75=12 的时候,就把数组的大小扩展为 2*16=32,即扩大一倍,然后重新计算每个元素在数组中的位置,而这是一个非常消耗性能的操作,所以如果我们已经预知 HashMap 中元素的个数,那么预设元素的个数能够有效的提高 HashMap 的性能

负载因子 loadFactor 衡量的是一个散列表的空间的使用程度,负载因子越大表示散列表的装填程度越高,反之愈小。对于使用链表法的散列表来说,查找一个元素的平均时间是 O(1+a),因此如果负载因子越大,对空间的利用更充分,然而后果是查找效率的降低;如果负载因子太小,那么散列表的数据将过于稀疏,对空间造成严重浪费

九、HashMap的构造方法

HashMap 包含如下几个构造器:

  1. HashMap():构建一个初始容量为 16,负载因子为 0.75 的 HashMap
  2. HashMap(int initialCapacity):构建一个初始容量为 initialCapacity,负载因子为 0.75 的 HashMap
  3. HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap

HashMap 的实现中,通过 threshold 字段来判断 HashMap 的最大容量:

threshold = (int)(capacity * loadFactor);

threshold就是在loadFactor和capacity对应下允许的最大元素数目,默认的的负载因子 0.75 是对空间和时间效率的一个平衡选择,当容量超出此最大容量时,就会发生resize,resize后的 HashMap 容量是容量的两倍,这点可以从addEntry方法看出

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //如果数组大小不够,会扩充数组大小
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

十、HashMap的Fail-Fast机制

HashMap不是线程安全的,因此在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map,那么将抛出 ConcurrentModificationException,这就是所谓 fail-fas机制,fail-fast机制是 java 集合(Collection)中的一种错误机制,当多个线程对同一个集合的内容进行操作时,就可能会产生fail-fast事件。这一机制在源码中的实现是通过modCount域(修改次数),对 HashMap 内容进行修改时都将增加这个值,那么在迭代器初始化过程中会将这个值赋给迭代器的 expectedModCount

HashIterator() {
    expectedModCount = modCount;
    if (size > 0) { // advance to first entry
    Entry[] t = table;
    while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)  
        ;
    }
}

在迭代过程中,判断 modCount 跟 expectedModCount 是否相等,如果不相等就表示已经有其他线程修改了 Map。同时, modCount 声明为 volatile,保证了线程之间修改的可见性

final Entry<K,V> nextEntry() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();

在 HashMap 的 API 中指出:

由所有 HashMap 类的“collection 视图方法”所返回的迭代器都是快速失败的:在迭代器创建之后,如果从结构上对映射进行修改,除非通过迭代器本身的 remove 方法,其他任何时间任何方式的修改,迭代器都将抛出 ConcurrentModificationException。因此,面对并发的修改,迭代器很快就会完全失败,而不冒在将来不确定的时间发生任意不确定行为的风险

注意,迭代器的快速失败行为不能得到保证,一般来说,存在非同步的并发修改时,不可能作出任何坚决的保证。快速失败迭代器尽最大努力抛出 ConcurrentModificationException。因此,编写依赖于此异常的程序的做法是错误的,正确做法是:迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序错误

解决方案:

在上文中也提到,fail-fast 机制,是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误,因为 JDK 并不保证 fail-fast 机制一定会发生。若在多线程环境下使用 fail-fast 机制的集合,建议使用“java.util.concurrent 包下的类”去取代“java.util 包下的类”

十一、HashMap的两种遍历方式

第一种,效率高,建议使用

Map map = new HashMap();
Iterator iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
  Map.Entry entry = (Map.Entry) iter.next();
  Object key = entry.getKey();
  Object val = entry.getValue();
}

第二种,效率低,建议不要使用
  

Map map = new HashMap();
Iterator iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
  Object key = iter.next();
  Object val = map.get(key);
}

十二、HashMap的面试题解答

1、你用过HashMap吗?什么是HashMap?你为什么用到它?

用过,HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现,它允许null键和null值,且HashMap依托于它的数据结构的设计,存储效率特别高,这是我用它的原因

2、你知道HashMap的工作原理吗?你知道HashMap的get()方法的工作原理吗?

上面两个问题属于同一答案的问题

HashMap是基于hash算法实现的,通过put(key,value)存储对象到HashMap中,也可以通过get(key)从HashMap中获取对象。当我们使用put的时候,首先HashMap会对key的hashCode()的值进行hash计算,根据hash值得到这个元素在数组中的位置,将元素存储在该位置的链表上。当我们使用get的时候,首先HashMap会对key的hashCode()的值进行hash计算,根据hash值得到这个元素在数组中的位置,将元素从该位置上的链表中取出

3、当两个对象的hashcode相同会发生什么?

hashcode相同,说明两个对象HashMap数组的同一位置上,接着HashMap会遍历链表中的每个元素,通过key的equals方法来判断是否为同一个key,如果是同一个key,则新的value会覆盖旧的value,并且返回旧的value。如果不是同一个key,则存储在该位置上的链表的链头

4、如果两个键的hashcode相同,你如何获取值对象?

遍历HashMap链表中的每个元素,并对每个key进行hash计算,最后通过get方法获取其对应的值对象

5、如果HashMap的大小超过了负载因子(load factor)定义的容量,怎么办?

负载因子默认是0.75,HashMap超过了负载因子定义的容量,也就是说超过了(HashMap的大小*负载因子)这个值,那么HashMap将会创建为原来HashMap大小两倍的数组大小,作为自己新的容量,这个过程叫resize或者rehash

6、你了解重新调整HashMap大小存在什么问题吗?

当多线程的情况下,可能产生条件竞争。当重新调整HashMap大小的时候,确实存在条件竞争,如果两个线程都发现HashMap需要重新调整大小了,它们会同时试着调整大小。在调整大小的过程中,存储在链表中的元素的次序会反过来,因为移动到新的数组位置的时候,HashMap并不会将元素放在LinkedList的尾部,而是放在头部,这是为了避免尾部遍历(tail traversing)。如果条件竞争发生了,那么就死循环了

7、我们可以使用自定义的对象作为键吗?

可以,只要它遵守了equals()和hashCode()方法的定义规则,并且当对象插入到Map中之后将不会再改变了。如果这个自定义对象时不可变的,那么它已经满足了作为键的条件,因为当它创建之后就已经不能改变了。

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