HashMap底层实现和原理（源码解析）

转自： Java集合：HashMap底层实现和原理（源码解析），在最后加上了自己的一点总结。

文章的内容基于JDK1.7进行分析。1.8做的改动文章末尾进行讲解。

一、概述

首先，HashMap基于Map接口实现，元素以键值对的方式存储，并且允许使用null键和null值，因为key不允许重复，因此只能有一个键为null,另外HashMap不能保证放入元素的顺序，它是无序的，和放入的顺序并不能相同。HashMap是线程不安全的。

HashMap继承自AbstractMap：

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

HashMap基本属性：

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始化大小 16 
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     //负载因子0.75
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};         //初始化的默认数组
transient int size;     //HashMap中元素的数量
int threshold;          //判断是否需要调整HashMap的容量

note:
HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务，所以如果能估算Map的容量，最好给它一个默认初始值，避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的，多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

二、数据存储结构

HashMap采用Entry数组来存储key-value对，每一个键值对组成了一个Entry实体，Entry类实际上是一个单向的链表结构，它具有Next指针，可以连接下一个Entry实体，以此来解决Hash冲突的问题。

数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；

链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。




从上图我们可以发现数据结构由数组+链表组成，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key.hashCode())%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。

HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 hash，key，value，next。

HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

 public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //遍历链表
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //如果key在链表中已存在，则替换为新value
            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;
    }

 

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //参数e, 是Entry.next
    //如果size超过threshold，则扩充table大小。再散列
    if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
}

三、重要方法剖析

  1. 构造函数
HashMap()    //无参构造方法
HashMap(int initialCapacity)  //指定初始容量的构造方法 
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) //指定初始容量和负载因子
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m)  //指定集合，转化为HashMap

HashMap提供了四个构造方法，构造方法中 ，依靠第三个方法来执行的，但是前三个方法都没有进行数组的初始化操作，即使调用了构造方法此时存放HaspMap中数组元素的table表长度依旧为0。在第四个构造方法中调用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作，并将m中的元素添加到HashMap中。

  1. put添加方法
public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) { //是否初始化
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null) //放置在0号位置
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key); //计算hash值
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算在Entry[]中的存储位置
        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); //添加到Map中
        return null;
}

在该方法中，添加键值对时，首先进行table是否初始化的判断，如果没有进行初始化（分配空间，Entry[]数组的长度）。然后进行key是否为null的判断，如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置，判断该位置上是否已有元素，如果已经有元素存在，则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。判断key是否存在，如果key已经存在，则用新的value值，替换点旧的value值，并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中，程序继续向下执行。将key-vlaue, 生成Entry实体，添加到HashMap中的Entry[]数组中。

  1. addEntry()
/*
 * hash hash值
 * key 键值
 * value value值
 * bucketIndex Entry[]数组中的存储索引
 */ 
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
     if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
         resize(2 * table.length); //扩容操作，将数据元素重新计算位置后放入newTable中，链表的顺序与之前的顺序相反
         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) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

添加到方法的具体操作，在添加之前先进行容量的判断，如果当前容量达到了阈值，并且需要存储到Entry[]数组中，先进性扩容操作，空充的容量为table长度的2倍。重新计算hash值，和数组存储的位置，扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。在1.8之前，新插入的元素都是放在了链表的头部位置，但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁，所以1.8之后，新插入的元素都放在了链表的尾部。

  1. 获取方法：get
public V get(Object key) {
     if (key == null)
         //返回table[0] 的value值
         return getForNullKey();
     Entry<K,V> entry = getEntry(key);

     return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
     if (size == 0) {
         return null;
     }

     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;
}

在get方法中，首先计算hash值，然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置，得到该位置的单链表，遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry，返回entry.value值。

  1. 删除方法
public V remove(Object key) {
     Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
     return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
     if (size == 0) {
         return null;
     }
     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     int i = indexFor(hash, table.length);
     Entry<K,V> prev = table[i];
     Entry<K,V> e = prev;

     while (e != null) {
         Entry<K,V> next = e.next;
         Object k;
         if (e.hash == hash &&
             ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
             modCount++;
             size--;
             if (prev == e)
                 table[i] = next;
             else
                 prev.next = next;
             e.recordRemoval(this);
             return e;
         }
         prev = e;
         e = next;
    }

    return e;
}

删除操作，先计算指定key的hash值，然后计算出table中的存储位置，判断当前位置是否Entry实体存在，如果没有直接返回，若当前位置有Entry实体存在，则开始遍历列表。定义了三个Entry引用，分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中，首先判断pre 和 e 是否相等，若相等表明，table的当前位置只有一个元素，直接将table[i] = next = null。若形成了pre -> e -> next的连接关系，判断e的key是否和指定的key 相等，若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

  1. containsKey
public boolean containsKey(Object key) {
    return getEntry(key) != null;
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
     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;
}

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

  1. containsValue
public boolean containsValue(Object value) {
    if (value == null)
            return containsNullValue();

    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;
}

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。

四、JDK 1.8的 改变

  1. HashMap采用数组+链表+红黑树实现。
    在JDK1.8中HashMap的实现方式做了一些改变，但是基本思想还是没有变得，只是在一些地方做了优化，下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式，变化为数组+链表+红黑树的存储方式，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树。在性能上进一步得到提升。

2.put方法简单解析：

public V put(K key, V value) {
    //调用putVal()方法完成
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    //判断table是否初始化，否则初始化操作
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    //计算存储的索引位置，如果没有元素，直接赋值
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        //节点若已经存在，执行赋值操作
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //判断链表是否是红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            //红黑树对象操作
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            //为链表，
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //链表长度8，将链表转化为红黑树存储
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //key存在，直接覆盖
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    //记录修改次数
    ++modCount;
    //判断是否需要扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    //空操作
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

如果存在key节点，返回旧值，如果不存在则返回Null。

五、与HashTable的区别

  1. 线程安全
    两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全的，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。

    note:
    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. 针对null值的不同
    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。
    Note：HashMap以null作为key时，总是存储在table数组的第一个节点上。

  3. 继承结构
    HashMap是对Map接口的实现，继承AbstractMap；HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类。

  4. 初始容量与扩容
    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:capacity*2，Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1。

  5. 两者计算hash的方法不同
    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数组长度取模。

int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, 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);

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;

五、总结

  • HashMap继承AbstractMap，基于Map接口实现，元素以键值对的方式存储，允许使用null键和null值（key为null存在index为0的位置），但不允许key值重复。它是无序的，不能保证放入元素的顺序，是非线程安全的。内部采用Entry数组存储数据，初始容量为16，每次扩容时容量翻倍（capacity*2）。
  • Entry是一个单向链表数据结构，有hash、key、value和next四个重要属性，用于连接有相同hash值的Enrty，在JDK 1.8之后，当Entry链表的长度超过阈值（8）之后，会将链表转换为红黑树形式存储，以提升性能。
    在1.8之前，新插入的元素都是放在了链表的头部位置，但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁，所以1.8之后，新插入的元素都放在了链表的尾部。
  • hash值的计算方法：对key的hashcode进行了二次hash，以获得更好的散列值，然后对table数组长度取模。
  • 容量扩充：当元素数量超过threshold值之后，会进行扩容。扩容操作是一项很耗时的任务，所以如果能估算Map的容量，最好给它一个默认初始值（HashMap(int initialCapacity)方法），避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的，多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。
  • threshold：通过tableSizeFor方法以及构造函数传递进来的initialCapacity来进行计算的，由于HashMap的capacity都是2的幂，因此这个方法用于找到大于等于initialCapacity的最小的2的幂。由于默认大小是16，所以算出的符合要求的值也为16。
  • 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。其实现原理是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,实际上操作的还是我们传入的HashMap实例。
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