文章目錄

• 概述
• HashMap結構圖
• 構造函數
• 重點方法源碼解讀 （1.7）
• • put()
  • get()
  • remove()
• 1.8版本 HashMap
• • put
  • resize() 擴容
  • get
• HashSet

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概述

• HashMap實現了Map接口，即允許放入key為null的元素，也允許插入value為null的元素；

• 跟TreeMap不同，HashMap容器不保證元素順序，根據需要該容器可能會對元素重新哈希，元素的順序也會被重新打散，因此不同時間迭代同一個HashMap的順序可能會不同。

• 根據對沖突的處理方式不同，哈希表有兩種實現方式，一種開放地址方式(Open addressing)，另一種是沖突鏈表方式(Separate chaining with linked lists)。Java7 HashMap采用的是沖突鏈表方式。

• HashSet僅僅是對HashMap做了一層包裝，也就是說HashSet里面有一個HashMap(適配器模式)。

我們這里將重點分析HashMap。

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HashMap結構圖

從上圖容易看出

如果選擇合適的哈希函數，put()和get()方法可以在常數時間內完成

對HashMap進行迭代時，需要遍歷整個table以及后面跟的沖突鏈表。因此對于迭代比較頻繁的場景，不宜將HashMap的初始大小設的過大。

有兩個參數可以影響HashMap的性能: 初始容量(inital capacity)和負載系數(load factor)

初始容量指定了初始table的大小，負載系數用來指定自動擴容的臨界值。當entry的數量超過capacity*load_factor時，容器將自動擴容并重新哈希。對于插入元素較多的場景，將初始容量設大可以減少重新哈希的次數。

將對象放入到HashMap或HashSet中時，有兩個方法需要特別關心: hashCode()和equals()。

hashCode()方法決定了對象會被放到哪個bucket里，當多個對象的哈希值沖突時，equals()方法決定了這些對象是否是“同一個對象”。所以，如果要將自定義的對象放入到HashMap或HashSet中，需要重寫hashCode()和equals()方法。

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構造函數

/*** Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial* capacity and load factor.** @param initialCapacity the initial capacity* @param loadFactor the load factor* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative* or the load factor is nonpositive*/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);this.loadFactor = loadFactor;this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);}/*** Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial* capacity and the default load factor (0.75).** @param initialCapacity the initial capacity.* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.*/public HashMap(int initialCapacity) {this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}/*** Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity* (16) and the default load factor (0.75).*/public HashMap() {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}/*** Constructs a new <tt>HashMap</tt> with the same mappings as the* specified <tt>Map</tt>. The <tt>HashMap</tt> is created with* default load factor (0.75) and an initial capacity sufficient to* hold the mappings in the specified <tt>Map</tt>.** @param m the map whose mappings are to be placed in this map* @throws NullPointerException if the specified map is null*/public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;putMapEntries(m, false);}

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重點方法源碼解讀 （1.7）

put()

put(K key, V value)方法是將指定的key, value對添加到map里。

//定義一個空的Entry數組 transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;public V put(K key, V value) {//如果數組為空則調用inflateTable（）方法if (table == EMPTY_TABLE) {inflateTable(threshold);}//如果傳入的key是null，調用putForNullKey（）方法，把值傳入if (key == null)return putForNullKey(value);//如果key不是null，調用hash（）得到哈希值int hash = hash(key);//調用indexFor（）方法，傳入哈希值，與數組的長度，得到該值在數組中的索引位置int i = indexFor(hash, table.length);//對數組進行遍歷，得到每一個entryfor (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {Object k;//如果entry的哈希值并且鍵或者值一致，則將原來的值取出來，把當前值賦值進去，調用recordAccess（）方法if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {V oldValue = e.value;e.value = value;e.recordAccess(this);return oldValue; }}//結構改變modCount++;//調用addEntry () 添加一個entry 參數是哈希值，鍵，值，和索引addEntry(hash, key, value, i);return null;}//空數組調用私有方法tosizeprivate void inflateTable(int toSize) {// Find a power of 2 >= toSize//得到容量int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);//數組臨界值 在數組容量乘負載因子與最大容量+1相比取最小threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);//初始化entry數組大小table = new Entry[capacity];//初始化容量大小initHashSeedAsNeeded(capacity);}void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {//如果size大于臨界值并且添加entry計算出來的數組索引的值不為nullif ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {//調用擴容方法，參數是2*數組長度resize(2 * table.length);//key不等于null ，計算出key的哈希值hash = (null != key) ? hash(key) : 0;//得到在數組中位置bucketIndex = indexFor(hash, table.length);}//創建一個entrycreateEntry(hash, key, value, bucketIndex);}void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {//在沖突鏈表頭部插入新的entry ----- 頭插法 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);size++;}

• 該方法首先會對map做一次查找，看是否包含該元組，如果已經包含則直接返回

• 如果沒有找到，則會通過addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)方法插入新的entry，插入方式為頭插法

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get()

get(Object key)方法根據指定的key值返回對應的value，該方法調用了getEntry(Object key)得到相應的entry，然后返回entry.getValue()。

因此getEntry()是算法的核心。 算法思想是首先通過hash()函數得到對應bucket的下標，然后依次遍歷沖突鏈表，通過key.equals(k)方法來判斷是否是要找的那個entry。

上圖中hash(k)&(table.length-1)等價于hash(k)%table.length，原因是HashMap要求table.length必須是2的指數，因此table.length-1就是二進制低位全是1，跟hash(k)相與會將哈希值的高位全抹掉，剩下的就是余數了。

//getEntry()方法 final Entry<K,V> getEntry(Object key) {......int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);for (Entry<K,V> e = table[hash&(table.length-1)];//得到沖突鏈表e != null; e = e.next) {//依次遍歷沖突鏈表中的每個entryObject k;//依據equals()方法判斷是否相等if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;}return null; }

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remove()

remove(Object key)的作用是刪除key值對應的entry，該方法的具體邏輯是在removeEntryForKey(Object key)里實現的。removeEntryForKey()方法會首先找到key值對應的entry，然后刪除該entry(修改鏈表的相應引用)。查找過程跟getEntry()過程類似。

//removeEntryForKey() final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {......int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);int i = indexFor(hash, table.length);//hash&(table.length-1)Entry<K,V> prev = table[i];//得到沖突鏈表Entry<K,V> e = prev;while (e != null) {//遍歷沖突鏈表Entry<K,V> next = e.next;Object k;if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {//找到要刪除的entrymodCount++; size--;if (prev == e) table[i] = next;//刪除的是沖突鏈表的第一個entryelse prev.next = next;return e;}prev = e; e = next;}return e; }

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1.8版本 HashMap

Java8 對 HashMap 進行了一些修改，最大的不同就是利用了紅黑樹，所以其由 數組+鏈表+紅黑樹 組成。

根據 Java7 HashMap 的介紹，我們知道，查找的時候，根據 hash 值我們能夠快速定位到數組的具體下標，但是之后的話，需要順著鏈表一個個比較下去才能找到我們需要的，時間復雜度取決于鏈表的長度，為 O(n)。

為了降低這部分的開銷，在 Java8 中，當鏈表中的元素達到了 8 個時，會將鏈表轉換為紅黑樹，在這些位置進行查找的時候可以降低時間復雜度為 O(logN)。

注意，上圖是示意圖，主要是描述結構，不會達到這個狀態的，因為這么多數據的時候早就擴容了。

Java7 中使用 Entry 來代表每個 HashMap 中的數據節點，Java8 中使用 Node，基本沒有區別，都是 key，value，hash 和 next 這四個屬性，不過，Node 只能用于鏈表的情況，紅黑樹的情況需要使用 TreeNode。

我們根據數組元素中，第一個節點數據類型是 Node 還是 TreeNode 來判斷該位置下是鏈表還是紅黑樹的。

put

public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true); }// 第四個參數 onlyIfAbsent 如果是 true，那么只有在不存在該 key 時才會進行 put 操作 // 第五個參數 evict 我們這里不關心 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;// 第一次 put 值的時候，會觸發下面的 resize()，類似 java7 的第一次 put 也要初始化數組長度// 第一次 resize 和后續的擴容有些不一樣，因為這次是數組從 null 初始化到默認的 16 或自定義的初始容量if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;// 找到具體的數組下標，如果此位置沒有值，那么直接初始化一下 Node 并放置在這個位置就可以了if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);else {// 數組該位置有數據Node<K,V> e; K k;// 首先，判斷該位置的第一個數據和我們要插入的數據，key 是不是"相等"，如果是，取出這個節點if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;// 如果該節點是代表紅黑樹的節點，調用紅黑樹的插值方法，本文不展開說紅黑樹else if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {// 到這里，說明數組該位置上是一個鏈表for (int binCount = 0; ; ++binCount) {// 插入到鏈表的最后面(Java7 是插入到鏈表的最前面)if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);// TREEIFY_THRESHOLD 為 8，所以，如果新插入的值是鏈表中的第 8 個// 會觸發下面的 treeifyBin，也就是將鏈表轉換為紅黑樹if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}// 如果在該鏈表中找到了"相等"的 key(== 或 equals)if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// 此時 break，那么 e 為鏈表中[與要插入的新值的 key "相等"]的 nodebreak;p = e;}}// e!=null 說明存在舊值的key與要插入的key"相等"// 對于我們分析的put操作，下面這個 if 其實就是進行 "值覆蓋"，然后返回舊值if (e != null) {V oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}++modCount;// 如果 HashMap 由于新插入這個值導致 size 已經超過了閾值，需要進行擴容if (++size > threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null; }

和 Java7 稍微有點不一樣的地方就是，Java7 是先擴容后插入新值的，Java8 先插值再擴容

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resize() 擴容

resize() 方法用于初始化數組或數組擴容，每次擴容后，容量為原來的 2 倍，并進行數據遷移。

final Node<K,V>[] resize() {Node<K,V>[] oldTab = table;int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;int oldThr = threshold;int newCap, newThr = 0;if (oldCap > 0) { // 對應數組擴容if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}// 將數組大小擴大一倍else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)// 將閾值擴大一倍newThr = oldThr << 1; // double threshold}else if (oldThr > 0) // 對應使用 new HashMap(int initialCapacity) 初始化后，第一次 put 的時候newCap = oldThr;else {// 對應使用 new HashMap() 初始化后，第一次 put 的時候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;// 用新的數組大小初始化新的數組Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];table = newTab; // 如果是初始化數組，到這里就結束了，返回 newTab 即可if (oldTab != null) {// 開始遍歷原數組，進行數據遷移。for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;// 如果該數組位置上只有單個元素，那就簡單了，簡單遷移這個元素就可以了if (e.next == null)newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;// 如果是紅黑樹，具體我們就不展開了else if (e instanceof TreeNode)((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // 這塊是處理鏈表的情況，// 需要將此鏈表拆成兩個鏈表，放到新的數組中，并且保留原來的先后順序// loHead、loTail 對應一條鏈表，hiHead、hiTail 對應另一條鏈表，代碼還是比較簡單的Node<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {next = e.next;if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}else {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);if (loTail != null) {loTail.next = null;// 第一條鏈表newTab[j] = loHead;}if (hiTail != null) {hiTail.next = null;// 第二條鏈表的新的位置是 j + oldCap，這個很好理解newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}}return newTab; }

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get

計算 key 的 hash 值，根據 hash 值找到對應數組下標: hash & (length-1)

判斷數組該位置處的元素是否剛好就是我們要找的，如果不是，走第三步

判斷該元素類型是否是 TreeNode，如果是，用紅黑樹的方法取數據，如果不是，走第四步

遍歷鏈表，直到找到相等(==或equals)的 key

public V get(Object key) {Node<K,V> e;return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value; } final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {// 判斷第一個節點是不是就是需要的if (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return first;if ((e = first.next) != null) {// 判斷是否是紅黑樹if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);// 鏈表遍歷do {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null; }

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HashSet

HashSet是對HashMap的簡單包裝，對HashSet的函數調用都會轉換成合適的HashMap方法，因此HashSet的實現非常簡單

//HashSet是對HashMap的簡單包裝 public class HashSet<E> {......private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一個HashMap// Dummy value to associate with an Object in the backing Mapprivate static final Object PRESENT = new Object();public HashSet() {map = new HashMap<>();}......public boolean add(E e) {//簡單的方法轉換return map.put(e, PRESENT)==null;}...... }

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java Review - HashMap HashSet 源码解读的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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