Java容器 | 基于源码分析Map集合体系

一、容器之Map集合

集合体系的源码中,Map中的HashMap的设计堪称最经典,涉及数据结构、编程思想、哈希计算等等,在日常开发中对于一些源码的思想进行参考借鉴还是很有必要的。

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  • 基础:元素增查删、容器信息;
  • 进阶:存储结构、容量、哈希;

API体系

在整个Map和Set的API体系中,最重要的就是HashMap的实现原理:

  • HashMap:基于哈希表管理元素;
  • LinkedHashMap:基于HashMap和双向链表;
  • HashSet:底层维护HashMap结构;
  • LinkedHashSet:继承HashSet,双向链表;

所以Map和Set的系列中,除特殊API之外,基本原理都依赖HashMap,只是在各自具体实现时,适用于不同特点的元素管理。

二、数据结构

在看HashMap之前,先理解一种数据结构:数组+链表的结构。

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基于数组管理元素的位置,元素的存储形成链表结构,既然是链表那么就可以是单双向的结构,这需要针对具体的API去分析,通过这个结构可以得到几个关键信息:

  • 扩容:基于数组则面对扩容问题;
  • 链表:形成链表结构的机制;
  • 哈希:哈希值计算与冲突处理;

三、HashMap详解

1、结构封装

既然上面简单描述了数组+链表的结构,那么从源码角度看看是如何封装的:

transient Node<K,V>[] table;

在HashMap中数组结构的变量命名为table(表),并且是基于Node<K,V>的节点:

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

实现Map.Entry接口,并定义节点的结构变量,和节点自身的相关方法。

2、构造方法

在知道HashMap中的基础结构后,可以看其相关的构造方法,初始化哪些变量:

无参构造

public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
}
  • float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
  • this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

实际上还要关注一个核心参数:

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 16

即数组默认的初始化容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY为16,扩容的阈值loadFactor为0.75,即表示当数组中元素达到12个便会进行扩容操作。

有参构造

当然也可以通过有参构造方法去设置两个参数:即容量和扩容的阈值:

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) ;

通过两个构造方法的源码可知:当直接创建新的HashMap的时候,不会立即对哈希数组进行初始化,但是可以对关键变量做自定义设置。

3、装载元素

顺着HashMap的使用方法,看元素添加:

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

在put的时候并没有做过多直接操作,而是调用两个关键方法:

  • hash():计算key的hash值;
  • putVal():元素添加过程;

这里必须看一个关键方法,哈希值的计算:

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

并不是直接获取Object中hashCode的返回值,计算key对应的hashCode值,和hashCode值右移16位的值,并对两个结果进行异或运算,以此拉低哈希冲突发生的概率。

再看putVal()方法,这里的操作就相当精彩:

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核心步骤总结:

  • 首次执行判断并初始化底层数组;
  • 基于哈希值计算结果添加元素;
  • 根据添加元素后的容量来判断是否扩容;

这里还需要说明一个问题:

HashMap基于红黑树来处理哈希冲突问题,如果hash冲突过多,对O(n)的查询性能的影响非常大,当冲突节点链表的冲突元素数量到达8时,并且数组的长度到达64时,会使用红黑树结构代替链表来处理哈希冲突的查询性能问题,关于树结构可以移步之前的相关文章。

4、自动化扩容

容器在一定边界内可以不断添加元素,其核心的机制就是扩容,HashMap的扩容遵循最小可用原则,当然容量到达阈值,便会触发自动扩容机制。

阈值:threshold=capacity*loadFactor,默认即 16*0.75=12

核心方法:resize;

02-4.jpeg

核心步骤总结:

  • 判断扩容的边界参数:threshold;
  • 核心参数计算:容量和阈值;
  • 基于新参数创建一个新的空数组;
  • 原数组为null则过程可以理解为初始化;
  • 原数组不为null则扩容并迁移数据;

很显然如果涉及数组扩容则会很影响效率,所以在日常开发中,可以在使用HashMap的时候预先估计好HashMap的大小,保证阈值大于存储的元素数量,尽可能避免进行多次扩容操作。

5、查询元素

getNode查找方法,通过hash值的计算,然后依次经过数组、红黑树、链表进行遍历查询:

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6、删除元素

removeNode删除方法,首先通过hash值的计算,找到要删除的节点,然后判断索引位置是红黑树还是链表结构,分别执行各自的删除流程:

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7、补充说明

这里对两个方法做个简单的说明:hashCode()equals(),通常来说重写equals方法的时候需要重写hashCode方法。

02-7.jpeg

这两个方法都可以用来比较两个对象是否相等,但是hash值有存在冲突的情况,可能存在两个对象的hash值冲突,这时候可以通过equals判断对象值是否相同,==判断值对象,地址判断引用对象。

在HashMap的结构中,链表上的hash值相同情况还要通过equals方法来判断具体值是否相同,才能找到相应的对象。

四、源代码地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

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