Java集合干货系列-(三)HashMap源码解析

前言

今天来介绍下HashMap,之前的List,讲了ArrayList、LinkedList,就前两者而言,反映的是两种思想:

  • ArrayList以数组形式实现,顺序插入、查找快,插入、删除较慢
  • LinkedList以链表形式实现,顺序插入、查找较慢,插入、删除方便

那么是否有一种数据结构能够结合上面两种的优点呢?有,答案就是HashMap。它是基于哈希表的 Map 接口的实现,以key-value的形式存在。
构造图如下:
蓝色线条:继承
绿色线条:接口实现


正文

要理解HashMap, 就必须要知道了解其底层的实现, 而底层实现里最重要的就是它的数据结构了,HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体。

在分析要理解HashMap源码前有必要对hashcode进行说明。
以下是关于HashCode的官方文档定义:

hashcode方法返回该对象的哈希码值。支持该方法是为哈希表提供一些优点,例如,java.util.Hashtable 提供的哈希表。
hashCode 的常规协定是:
在 Java 应用程序执行期间,在同一对象上多次调用 hashCode 方法时,必须一致地返回相同的整数,前提是对象上 equals 比较中所用的信息没有被修改。从某一应用程序的一次执行到同一应用程序的另一次执行,该整数无需保持一致。

如果根据 equals(Object) 方法,两个对象是相等的,那么在两个对象中的每个对象上调用 hashCode 方法都必须生成相同的整数结果。

以下情况不 是必需的:如果根据 equals(java.lang.Object) 方法,两个对象不相等,那么在两个对象中的任一对象上调用 hashCode 方法必定会生成不同的整数结果。但是,程序员应该知道,为不相等的对象生成不同整数结果可以提高哈希表的性能。

实际上,由 Object 类定义的 hashCode 方法确实会针对不同的对象返回不同的整数。(这一般是通过将该对象的内部地址转换成一个整数来实现的,但是 JavaTM 编程语言不需要这种实现技巧。)

当equals方法被重写时,通常有必要重写 hashCode 方法,以维护 hashCode 方法的常规协定,该协定声明相等对象必须具有相等的哈希码。

以上这段官方文档的定义,我们可以抽出成以下几个关键点:

  1. hashCode的存在主要是用于查找的快捷性,如Hashtable,HashMap等,hashCode是用来在散列存储结构中确定对象的存储地址的;

  2. 如果两个对象相同,就是适用于equals(java.lang.Object) 方法,那么这两个对象的hashCode一定要相同;

  3. 如果对象的equals方法被重写,那么对象的hashCode也尽量重写,并且产生hashCode使用的对象,一定要和equals方法中使用的一致,否则就会违反上面提到的第2点;

  4. 两个对象的hashCode相同,并不一定表示两个对象就相同,也就是不一定适用于equals(java.lang.Object) 方法,只能够说明这两个对象在散列存储结构中,如Hashtable,他们“存放在同一个篮子里”

再归纳一下就是hashCode是用于查找使用的,而equals是用于比较两个对象的是否相等的。以下这段话是从别人帖子回复拷贝过来的:

1.hashcode是用来查找的,如果你学过数据结构就应该知道,在查找和排序这一章有
例如内存中有这样的位置
0 1 2 3 4 5 6 7
而我有个类,这个类有个字段叫ID,我要把这个类存放在以上8个位置之一,如果不用hashcode而任意存放,那么当查找时就需要到这八个位置里挨个去找,或者用二分法一类的算法。
但如果用hashcode那就会使效率提高很多。
我们这个类中有个字段叫ID,那么我们就定义我们的hashcode为ID%8,然后把我们的类存放在取得得余数那个位置。比如我们的ID为9,9除8的余数为1,那么我们就把该类存在1这个位置,如果ID是13,求得的余数是5,那么我们就把该类放在5这个位置。这样,以后在查找该类时就可以通过ID除 8求余数直接找到存放的位置了。

2.但是如果两个类有相同的hashcode怎么办那(我们假设上面的类的ID不是唯一的),例如9除以8和17除以8的余数都是1,那么这是不是合法的,回答是:可以这样。那么如何判断呢?在这个时候就需要定义 equals了。
也就是说,我们先通过 hashcode来判断两个类是否存放某个桶里,但这个桶里可能有很多类,那么我们就需要再通过 equals 来在这个桶里找到我们要的类。
那么。重写了equals(),为什么还要重写hashCode()呢?
想想,你要在一个桶里找东西,你必须先要找到这个桶啊,你不通过重写hashcode()来找到桶,光重写equals()有什么用啊

HashMap简介

HashMap定义

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

HashMap 是一个散列表,它存储的内容是键值对(key-value)映射。
HashMap继承于AbstractMap,实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口。
HashMap 的实现不是同步的,这意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。此外,HashMap中的映射不是有序的。

HashMap属性

// 默认初始容量为16,必须为2的n次幂
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    // 最大容量为2的30次方
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    // 默认加载因子为0.75f
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    // Entry数组,长度必须为2的n次幂
    transient Entry[] table;

    // 已存储元素的数量
    transient int size ;

    // 下次扩容的临界值,size>=threshold就会扩容,threshold等于capacity*load factor
    int threshold;

    // 加载因子
    final float loadFactor ;

HashMap是通过"拉链法"实现的哈希表。它包括几个重要的成员变量:table, size, threshold, loadFactor, modCount。

  • table是一个Entry[]数组类型,而Entry实际上就是一个单向链表。哈希表的"key-value键值对"都是存储在Entry数组中的。
  • size是HashMap的大小,它是HashMap保存的键值对的数量。
  • threshold是HashMap的阈值,用于判断是否需要调整HashMap的容量。threshold的值="容量*加载因子",当HashMap中存储数据的数量达到threshold时,就需要将HashMap的容量加倍。
  • loadFactor就是加载因子。
  • modCount是用来实现fail-fast机制的。

可以看出HashMap底层是用Entry数组存储数据,同时定义了初始容量,最大容量,加载因子等参数,至于为什么容量必须是2的幂,加载因子又是什么,下面再说,先来看一下Entry的定义。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key ; 
        V value;
        Entry<K,V> next; // 指向下一个节点
        final int hash;

        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();
        }

        // 当向HashMap中添加元素的时候调用这个方法,这里没有实现是供子类回调用
        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
        }

        // 当从HashMap中删除元素的时候调动这个方法 ,这里没有实现是供子类回调用
        void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
        }
}

Entry是HashMap的内部类,它继承了Map中的Entry接口,它定义了键(key),值(value),和下一个节点的引用(next),以及hash值。很明确的可以看出Entry是什么结构,它是单线链表的一个节点。也就是说HashMap的底层结构是一个数组,而数组的元素是一个单向链表。

为什么会有这样的设计?之前介绍的List中查询时需要遍历所有的数组,为了解决这个问题HashMap采用hash算法将key散列为一个int值,这个int值对应到数组的下标,再做查询操作的时候,拿到key的散列值,根据数组下标就能直接找到存储在数组的元素。但是由于hash可能会出现相同的散列值,为了解决冲突,HashMap采用将相同的散列值存储到一个链表中,也就是说在一个链表中的元素他们的散列值绝对是相同的。找到数组下标取出链表,再遍历链表是不是比遍历整个数组效率好的多呢?

我们来看一下HashMap的具体实现。

HashMap构造函数

/**
     * 构造一个指定初始容量和加载因子的HashMap
     */
    public HashMap( int initialCapacity, float loadFactor) {
        // 初始容量和加载因子合法校验
        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
        // 确保容量为2的n次幂,是capacity为大于initialCapacity的最小的2的n次幂
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;

        // 赋值加载因子
        this.loadFactor = loadFactor;
        // 赋值扩容临界值
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        // 初始化hash表
        table = new Entry[capacity];
        init();
    }

    /**
     * 构造一个指定初始容量的HashMap
     */
    public HashMap( int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    /**
     * 构造一个使用默认初始容量(16)和默认加载因子(0.75)的HashMap
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

    /**
     * 构造一个指定map的HashMap,所创建HashMap使用默认加载因子(0.75)和足以容纳指定map的初始容量。
     */
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        // 确保最小初始容量为16,并保证可以容纳指定map
        this(Math.max(( int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY ), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        putAllForCreate(m);
}

HashMap提供了四个构造函数:

  • HashMap():构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
  • HashMap(int initialCapacity):构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
  • HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。
  • public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m):包含“子Map”的构造函数

在这里提到了两个参数:初始容量,加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数,其中容量表示哈希表中桶的数量,初始容量是创建哈希表时的容量,加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度,它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。系统默认负载因子为0.75,一般情况下我们是无需修改的。

API方法摘要

HashMap源码解析(基于JDK1.6.0_45)

put方法

HashMap会对null值key进行特殊处理,总是放到table[0]位置
put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后将key放到table[index]位置,当table[index]已存在其它元素时,会在table[index]位置形成一个链表,将新添加的元素放在table[index],原来的元素通过Entry的next进行链接,这样以链表形式解决hash冲突问题,当元素数量达到临界值(capactiyfactor)时,则进行扩容,是table数组长度变为table.length2

public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //处理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
        int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
    //遍历table[i]位置的链表,查找相同的key,若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue
        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;
            }
        }
    //若没有在table[i]位置找到相同的key,则添加key到table[i]位置,新的元素总是在table[i]位置的第一个元素,原来的元素后移
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }
    private V putForNullKey(V value) {
        // 取出数组第1个位置(下标等于0)的节点,如果存在则覆盖不存在则新增,和上面的put一样不多讲,
        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++;
        // 如果key等于null,则hash值等于0
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //添加key到table[bucketIndex]位置,新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素,原来的元素后移
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    //判断元素个数是否达到了临界值,若已达到临界值则扩容,table长度翻倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

get方法

同样当key为null时会进行特殊处理,在table[0]的链表上查找key为null的元素
get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后遍历table[index]上的链表,直到找到key,然后返回

public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();//处理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
    //在table[index]遍历查找key,若找到则返回value,找不到返回null
        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.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
}

remove方法

remove方法和put get类似,计算hash,计算index,然后遍历查找,将找到的元素从table[index]链表移除

/**
     * 根据key删除元素
     */
    public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e. value);
    }

    /**
     * 根据key删除链表节点
     */
    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        // 计算key的hash值
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        // 根据hash值计算key在数组的索引位置
        int i = indexFor(hash, table.length );
        // 找到该索引出的第一个节点
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;

        // 遍历链表(从链表第一个节点开始next),找出相同的key,
        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e. next;
            Object k;
            // 如果hash值和key都相等,则认为相等
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e. key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                // 修改版本+1
                modCount++;
                // 计数器减1
                size--;
                // 如果第一个就是要删除的节点(第一个节点没有上一个节点,所以要分开判断)
                if (prev == e)
                    // 则将下一个节点放到table[i]位置(要删除的节点被覆盖)
                    table[i] = next;
                else
                 // 否则将上一个节点的next指向当要删除节点下一个(要删除节点被忽略,没有指向了)
                    prev. next = next;
                e.recordRemoval( this);
                // 返回删除的节点内容
                return e;
            }
            // 保存当前节点为下次循环的上一个节点
            prev = e;
            // 下次循环
            e = next;
        }

        return e;
}

clear()方法

clear方法非常简单,就是遍历table然后把每个位置置为null,同时修改元素个数为0
需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素,并不会重置capactiy

public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
}

resize方法

resize方法在hashmap中并没有公开,这个方法实现了非常重要的hashmap扩容,具体过程为:先创建一个容量为table.length2的新table,修改临界值,然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length2重新计算index放入到新的table里面
这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index,而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置

void resize( int newCapacity) {
        // 当前数组
        Entry[] oldTable = table;
        // 当前数组容量
        int oldCapacity = oldTable.length ;
        // 如果当前数组已经是默认最大容量MAXIMUM_CAPACITY ,则将临界值改为Integer.MAX_VALUE 返回
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        // 使用新的容量创建一个新的链表数组
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        // 将当前数组中的元素都移动到新数组中
        transfer(newTable);
        // 将当前数组指向新创建的数组
        table = newTable;
        // 重新计算临界值
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

    /**
     * Transfers all entries from current table to newTable.
     */
    void transfer(Entry[] newTable) {
        // 当前数组
        Entry[] src = table;
        // 新数组长度
        int newCapacity = newTable.length ;
        // 遍历当前数组的元素,重新计算每个元素所在数组位置
        for (int j = 0; j < src. length; j++) {
            // 取出数组中的链表第一个节点
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                // 将旧链表位置置空
                src[j] = null;
                // 循环链表,挨个将每个节点插入到新的数组位置中
                do {
                    // 取出链表中的当前节点的下一个节点
                    Entry<K,V> next = e. next;
                    // 重新计算该链表在数组中的索引位置
                    int i = indexFor(e. hash, newCapacity);
                    // 将下一个节点指向newTable[i]
                    e. next = newTable[i];
                    // 将当前节点放置在newTable[i]位置
                    newTable[i] = e;
                    // 下一次循环
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
}

transfer方法中,由于数组的容量已经变大,也就导致hash算法indexFor已经发生变化,原先在一个链表中的元素,在新的hash下可能会产生不同的散列值,so所有元素都要重新计算后安顿一番。注意在do while循环的过程中,每次循环都是将下个节点指向newTable[i] ,是因为如果有相同的散列值i,上个节点已经放置在newTable[i]位置,这里还是下一个节点的next指向上一个节点(不知道这里是否能理解,画个图理解下吧)。

Map中的元素越多,hash冲突的几率也就越大,数组长度是固定的,所以导致链表越来越长,那么查询的效率当然也就越低下了。还记不记得同时数组容器的ArrayList怎么做的,扩容!而HashMap的扩容resize,需要将所有的元素重新计算后,一个个重新排列到新的数组中去,这是非常低效的,和ArrayList一样,在可以预知容量大小的情况下,提前预设容量会减少HashMap的扩容,提高性能。

再来看看加载因子的作用,如果加载因子越大,数组填充的越满,这样可以有效的利用空间,但是有一个弊端就是可能会导致冲突的加大,链表过长,反过来却又会造成内存空间的浪费。所以只能需要在空间和时间中找一个平衡点,那就是设置有效的加载因子。我们知道,很多时候为了提高查询效率的做法都是牺牲空间换取时间,到底该怎么取舍,那就要具体分析了。

containsKey方法

containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值

public boolean containsKey(Object key) {
    return getEntry(key) != null;
}

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    // 获取哈希值
    // HashMap将“key为null”的元素存储在table[0]位置,“key不为null”的则调用hash()计算哈希值
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
    // 在“该hash值对应的链表”上查找“键值等于key”的元素
    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;
}

getEntry() 的作用就是返回“键为key”的键值对,它的实现源码中已经进行了说明。
这里需要强调的是:HashMap将“key为null”的元素都放在table的位置0处,即table[0]中;“key不为null”的放在table的其余位置!

containsValue方法

containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value,由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别,你别指望它会像containsKey那么高效

public boolean containsValue(Object value) {
    // 若“value为null”,则调用containsNullValue()查找
    if (value == null)
        return containsNullValue();

    // 若“value不为null”,则查找HashMap中是否有值为value的节点。
    Entry[] tab = table;
    for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
        for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
            if (value.equals(e.value))
                return true;
    return false;
}

containsNullValue() 的作用判断HashMap中是否包含“值为null”的元素

private boolean containsNullValue() {
    Entry[] tab = table;
    for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
        for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
            if (e.value == null)
                return true;
    return false;
}

entrySet()、values()、keySet()方法

它们3个的原理类似,这里以entrySet()为例来说明。
entrySet()的作用是返回“HashMap中所有Entry的集合”,它是一个集合。实现代码如下:

// 返回“HashMap的Entry集合”
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
    return entrySet0();
}

// 返回“HashMap的Entry集合”,它实际是返回一个EntrySet对象
private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
    Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
    return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
}

// EntrySet对应的集合
// EntrySet继承于AbstractSet,说明该集合中没有重复的EntrySet。
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
    public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
        return newEntryIterator();
    }
    public boolean contains(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
        Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
        return candidate != null && candidate.equals(e);
    }
    public boolean remove(Object o) {
        return removeMapping(o) != null;
    }
    public int size() {
        return size;
    }
    public void clear() {
        HashMap.this.clear();
    }
}

HashMap是通过拉链法实现的散列表。表现在HashMap包括许多的Entry,而每一个Entry本质上又是一个单向链表。那么HashMap遍历key-value键值对的时候,是如何逐个去遍历的呢?

下面我们就看看HashMap是如何通过entrySet()遍历的。
entrySet()实际上是通过newEntryIterator()实现的。 下面我们看看它的代码:

// 返回一个“entry迭代器”
Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
    return new EntryIterator();
}

// Entry的迭代器
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
    public Map.Entry<K,V> next() {
        return nextEntry();
    }
}

// HashIterator是HashMap迭代器的抽象出来的父类,实现了公共了函数。
// 它包含“key迭代器(KeyIterator)”、“Value迭代器(ValueIterator)”和“Entry迭代器(EntryIterator)”3个子类。
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
    // 下一个元素
    Entry<K,V> next;
    // expectedModCount用于实现fast-fail机制。
    int expectedModCount;
    // 当前索引
    int index;
    // 当前元素
    Entry<K,V> current;

    HashIterator() {
        expectedModCount = modCount;
        if (size > 0) { // advance to first entry
            Entry[] t = table;
            // 将next指向table中第一个不为null的元素。
            // 这里利用了index的初始值为0,从0开始依次向后遍历,直到找到不为null的元素就退出循环。
            while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                ;
        }
    }

    public final boolean hasNext() {
        return next != null;
    }

    // 获取下一个元素
    final Entry<K,V> nextEntry() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        Entry<K,V> e = next;
        if (e == null)
            throw new NoSuchElementException();

        // 注意!!!
        // 一个Entry就是一个单向链表
        // 若该Entry的下一个节点不为空,就将next指向下一个节点;
        // 否则,将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
        if ((next = e.next) == null) {
            Entry[] t = table;
            while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                ;
        }
        current = e;
        return e;
    }

    // 删除当前元素
    public void remove() {
        if (current == null)
            throw new IllegalStateException();
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        Object k = current.key;
        current = null;
        HashMap.this.removeEntryForKey(k);
        expectedModCount = modCount;
    }

}

当我们通过entrySet()获取到的Iterator的next()方法去遍历HashMap时,实际上调用的是 nextEntry() 。而nextEntry()的实现方式,先遍历Entry(根据Entry在table中的序号,从小到大的遍历);然后对每个Entry(即每个单向链表),逐个遍历。

hash和indexFor

indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length,用于计算index也就是在table数组中的下标
hash方法是对hashcode进行二次散列,以获得更好的散列值
为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换

int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
//上面这两行可以这样简化
int i = key.key.hashCode()%table.length;
static int hash(int h) {
    // This function ensures that hashCodes that differ only by
    // constant multiples at each bit position have a bounded
    // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

HashMap示例

下面通过一个实例学习如何使用HashMap

public class MapDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        Map m=new HashMap();
        System.out.println("添加put方法:(1,'a'),(2,'b'),(3,'c'),(4,'d')");
        m.put("1","a");
        m.put("2","b");
        m.put("3","c");
        m.put("4","d");
        System.out.println("打印添加后的map"+m);
        System.out.println("删除第四个4元素");
        m.remove("4");
        System.out.println("打印map"+m);

        // containsKey(Object key) :是否包含键key
        System.out.println("contains key 1 : "+m.containsKey("1"));
        // containsValue(Object value) :是否包含值value
        System.out.println("contains value a : "+m.containsValue("a"));
        // 通过Iterator遍历key-value
        Iterator iterator = m.entrySet().iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            Map.Entry entry = (Map.Entry)iterator.next();
            System.out.println("next : "+ entry.getKey() +" - "+entry.getValue());
        }
        // clear() : 清空HashMap
        m.clear();
        // isEmpty() : HashMap是否为空
        System.out.println((m.isEmpty()?"map is empty":"map is not empty") );
    }
}

输出:

添加put方法:(1,'a'),(2,'b'),(3,'c'),(4,'d')
打印添加后的map{3=c, 2=b, 1=a, 4=d}
删除第四个4元素
打印map{3=c, 2=b, 1=a}
contains key 1 : true
contains value a : true
next : 3 - c
next : 2 - b
next : 1 - a
map is empty

总结

HashMap和Hashtable的区别

  1. 两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全
    Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理)
  2. HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key
    虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事
    HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上
  3. HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类
  4. HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75
    HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity2+1
  5. HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现
  6. 两者计算hash的方法不同
    Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸

static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

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

参考

该文为本人学习的笔记,方便以后自己跳槽前复习。参考网上各大帖子,取其精华整合自己的理解而成。集合框架源码面试经常会问,所以解读源码十分必要,希望对你有用。
java提高篇(二三)-----HashMap
Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例
深入Java集合学习系列:HashMap的实现原理
给jdk写注释系列之jdk1.6容器(4)-HashMap源码解析
深入Java集合学习系列:HashMap的实现原理

整理的集合框架思维导图

个人整理的Java集合框架思维导图,动态维护。导出的图片无法查看备注的一些信息,所以需要源文件的童鞋可以关注我个人主页上的公众号,回复Java集合框架即可获取源文件。


一直觉得自己写的不是技术,而是情怀,一篇篇文章是自己这一路走来的痕迹。靠专业技能的成功是最具可复制性的,希望我的这条路能让你少走弯路,希望我能帮你抹去知识的蒙尘,希望我能帮你理清知识的脉络,希望未来技术之巅上有你也有我。

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