HashMap(JDK1.8)源码+底层数据结构分析

• HashMap 简介
• 底层数据结构分析
  • JDK1.8 之前
  • JDK1.8 之后
• HashMap 源码分析
  • 构造方法
  • put 方法
  • get 方法
  • resize 方法
• HashMap 常用方法测试

感谢 changfubai 对本文的改进做出的贡献！

HashMap 简介

HashMap 主要用来存放键值对，它基于哈希表的 Map 接口实现，是常用的 Java 集合之一。

JDK1.8 之前 HashMap 由 数组+链表 组成的，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的（“拉链法”解决冲突）。

JDK1.8 之后 HashMap 的组成多了红黑树，在满足下面两个条件之后，会执行链表转红黑树操作，以此来加快搜索速度。

• 链表长度大于阈值（默认为 8）
• HashMap 数组长度超过 64

底层数据结构分析

JDK1.8 之前

JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在一起使用也就是 链表散列。

HashMap 通过 key 的 hashCode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码:

JDK 1.8 的 hash 方法 相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。

    static final int hash(Object key) {int h;// key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode// ^ ：按位异或// >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}

对比一下 JDK1.7 的 HashMap 的 hash 方法源码.

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);
}

相比于 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。

所谓 “拉链法” 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

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JDK1.8 之后

相比于之前的版本，JDK1.8 以后在解决哈希冲突时有了较大的变化。

当链表长度大于阈值（默认为 8）时，会首先调用 treeifyBin()方法。这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是执行 resize() 方法对数组扩容。相关源码这里就不贴了，重点关注 treeifyBin()方法即可！

类的属性：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {// 序列号private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;// 默认的初始容量是16static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;// 最大容量static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;// 默认的填充因子static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;// 当桶(bucket)上的结点数大于这个值时会转成红黑树static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;// 当桶(bucket)上的结点数小于这个值时树转链表static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;// 桶中结构转化为红黑树对应的table的最小大小static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;// 存储元素的数组，总是2的幂次倍transient Node<k,v>[] table;// 存放具体元素的集transient Set<map.entry<k,v>> entrySet;// 存放元素的个数，注意这个不等于数组的长度。transient int size;// 每次扩容和更改map结构的计数器transient int modCount;// 临界值 当实际大小(容量*填充因子)超过临界值时，会进行扩容int threshold;// 加载因子final float loadFactor;
}

• loadFactor 加载因子

  loadFactor 加载因子是控制数组存放数据的疏密程度，loadFactor 越趋近于 1，那么 数组中存放的数据(entry)也就越多，也就越密，也就是会让链表的长度增加，loadFactor 越小，也就是趋近于 0，数组中存放的数据(entry)也就越少，也就越稀疏。

  loadFactor 太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor 的默认值为 0.75f 是官方给出的一个比较好的临界值。

  给定的默认容量为 16，负载因子为 0.75。Map 在使用过程中不断的往里面存放数据，当数量达到了 16 * 0.75 = 12 就需要将当前 16 的容量进行扩容，而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作，所以非常消耗性能。

• threshold

  threshold = capacity * loadFactor，当 Size>=threshold的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 衡量数组是否需要扩增的一个标准。

Node 节点类源码:

// 继承自 Map.Entry<K,V>
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {final int hash;// 哈希值，存放元素到hashmap中时用来与其他元素hash值比较final K key;//键V value;//值// 指向下一个节点Node<K,V> next;Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {this.hash = hash;this.key = key;this.value = value;this.next = next;}public final K getKey()        { return key; }public final V getValue()      { return value; }public final String toString() { return key + "=" + value; }// 重写hashCode()方法public final int hashCode() {return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);}public final V setValue(V newValue) {V oldValue = value;value = newValue;return oldValue;}// 重写 equals() 方法public final boolean equals(Object o) {if (o == this)return true;if (o instanceof Map.Entry) {Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&Objects.equals(value, e.getValue()))return true;}return false;}
}

树节点类源码:

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {TreeNode<K,V> parent;  // 父TreeNode<K,V> left;    // 左TreeNode<K,V> right;   // 右TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletionboolean red;           // 判断颜色TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {super(hash, key, val, next);}// 返回根节点final TreeNode<K,V> root() {for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {if ((p = r.parent) == null)return r;r = p;}

HashMap 源码分析

构造方法

HashMap 中有四个构造方法，它们分别如下：

    // 默认构造函数。public HashMap() {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all   other fields defaulted}// 包含另一个“Map”的构造函数public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;putMapEntries(m, false);//下面会分析到这个方法}// 指定“容量大小”的构造函数public HashMap(int initialCapacity) {this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);}// 指定“容量大小”和“加载因子”的构造函数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);}

putMapEntries 方法：

final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {int s = m.size();if (s > 0) {// 判断table是否已经初始化if (table == null) { // pre-size// 未初始化，s为m的实际元素个数float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?(int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);// 计算得到的t大于阈值，则初始化阈值if (t > threshold)threshold = tableSizeFor(t);}// 已初始化，并且m元素个数大于阈值，进行扩容处理else if (s > threshold)resize();// 将m中的所有元素添加至HashMap中for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {K key = e.getKey();V value = e.getValue();putVal(hash(key), key, value, false, evict);}}
}

put 方法

HashMap 只提供了 put 用于添加元素，putVal 方法只是给 put 方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。

对 putVal 方法添加元素的分析如下：

1. 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
2. 如果定位到的数组位置有元素就和要插入的 key 比较，如果 key 相同就直接覆盖，如果 key 不相同，就判断 p 是否是一个树节点，如果是就调用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入(插入的是链表尾部)。

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说明:上图有两个小问题：

• 直接覆盖之后应该就会 return，不会有后续操作。参考 JDK8 HashMap.java 658 行（issue#608）。
• 当链表长度大于阈值（默认为 8）并且 HashMap 数组长度超过 64 的时候才会执行链表转红黑树的操作，否则就只是对数组扩容。参考 HashMap 的 treeifyBin() 方法（issue#1087）。

public V put(K key, V value) {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;// table未初始化或者长度为0，进行扩容if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length;// (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);// 桶中已经存在元素else {Node<K,V> e; K k;// 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的hash值相等，key相等if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// 将第一个元素赋值给e，用e来记录e = p;// hash值不相等，即key不相等；为红黑树结点else if (p instanceof TreeNode)// 放入树中e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);// 为链表结点else {// 在链表最末插入结点for (int binCount = 0; ; ++binCount) {// 到达链表的尾部if ((e = p.next) == null) {// 在尾部插入新结点p.next = newNode(hash, key, value, null);// 结点数量达到阈值(默认为 8 )，执行 treeifyBin 方法// 这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。// 只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是对数组扩容。if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);// 跳出循环break;}// 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// 相等，跳出循环break;// 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表p = e;}}// 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点if (e != null) {// 记录e的valueV oldValue = e.value;// onlyIfAbsent为false或者旧值为nullif (!onlyIfAbsent || oldValue == null)//用新值替换旧值e.value = value;// 访问后回调afterNodeAccess(e);// 返回旧值return oldValue;}}// 结构性修改++modCount;// 实际大小大于阈值则扩容if (++size > threshold)resize();// 插入后回调afterNodeInsertion(evict);return null;
}

我们再来对比一下 JDK1.7 put 方法的代码

对于 put 方法的分析如下：

• ① 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
• ② 如果定位到的数组位置有元素，遍历以这个元素为头结点的链表，依次和插入的 key 比较，如果 key 相同就直接覆盖，不同就采用头插法插入元素。

public V put(K key, V value)if (table == EMPTY_TABLE) {inflateTable(threshold);
}if (key == null)return putForNullKey(value);int hash = hash(key);int i = indexFor(hash, table.length);for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { // 先遍历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);  // 再插入return null;
}

get 方法

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) {// 数组元素相等if (first.hash == hash && // always check first node((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return first;// 桶中不止一个节点if ((e = first.next) != null) {// 在树中getif (first instanceof TreeNode)return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);// 在链表中getdo {if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))return e;} while ((e = e.next) != null);}}return null;
}

resize 方法

进行扩容，会伴随着一次重新 hash 分配，并且会遍历 hash 表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免 resize。

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) {// 超过最大值就不再扩充了，就只好随你碰撞去吧if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {threshold = Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}// 没超过最大值，就扩充为原来的2倍else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)newThr = oldThr << 1; // double threshold}else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in thresholdnewCap = oldThr;else {// signifies using defaultsnewCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);}// 计算新的resize上限if (newThr == 0) {float ft = (float)newCap * loadFactor;newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE);}threshold = newThr;@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];table = newTab;if (oldTab != null) {// 把每个bucket都移动到新的buckets中for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {Node<K,V> e;if ((e = oldTab[j]) != null) {oldTab[j] = null;if (e.next == null)newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;else if (e instanceof TreeNode)((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);else {Node<K,V> loHead = null, loTail = null;Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;Node<K,V> next;do {next = e.next;// 原索引if ((e.hash & oldCap) == 0) {if (loTail == null)loHead = e;elseloTail.next = e;loTail = e;}// 原索引+oldCapelse {if (hiTail == null)hiHead = e;elsehiTail.next = e;hiTail = e;}} while ((e = next) != null);// 原索引放到bucket里if (loTail != null) {loTail.next = null;newTab[j] = loHead;}// 原索引+oldCap放到bucket里if (hiTail != null) {hiTail.next = null;newTab[j + oldCap] = hiHead;}}}}}return newTab;
}

HashMap 常用方法测试

package map;import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Set;public class HashMapDemo {public static void main(String[] args) {HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>();// 键不能重复，值可以重复map.put("san", "张三");map.put("si", "李四");map.put("wu", "王五");map.put("wang", "老王");map.put("wang", "老王2");// 老王被覆盖map.put("lao", "老王");System.out.println("-------直接输出hashmap:-------");System.out.println(map);/*** 遍历HashMap*/// 1.获取Map中的所有键System.out.println("-------foreach获取Map中所有的键:------");Set<String> keys = map.keySet();for (String key : keys) {System.out.print(key+"  ");}System.out.println();//换行// 2.获取Map中所有值System.out.println("-------foreach获取Map中所有的值:------");Collection<String> values = map.values();for (String value : values) {System.out.print(value+"  ");}System.out.println();//换行// 3.得到key的值的同时得到key所对应的值System.out.println("-------得到key的值的同时得到key所对应的值:-------");Set<String> keys2 = map.keySet();for (String key : keys2) {System.out.print(key + "：" + map.get(key)+"   ");}/*** 如果既要遍历key又要value，那么建议这种方式，因为如果先获取keySet然后再执行map.get(key)，map内部会执行两次遍历。* 一次是在获取keySet的时候，一次是在遍历所有key的时候。*/// 当我调用put(key,value)方法的时候，首先会把key和value封装到// Entry这个静态内部类对象中，把Entry对象再添加到数组中，所以我们想获取// map中的所有键值对，我们只要获取数组中的所有Entry对象，接下来// 调用Entry对象中的getKey()和getValue()方法就能获取键值对了Set<java.util.Map.Entry<String, String>> entrys = map.entrySet();for (java.util.Map.Entry<String, String> entry : entrys) {System.out.println(entry.getKey() + "--" + entry.getValue());}/*** HashMap其他常用方法*/System.out.println("after map.size()："+map.size());System.out.println("after map.isEmpty()："+map.isEmpty());System.out.println(map.remove("san"));System.out.println("after map.remove()："+map);System.out.println("after map.get(si)："+map.get("si"));System.out.println("after map.containsKey(si)："+map.containsKey("si"));System.out.println("after containsValue(李四)："+map.containsValue("李四"));System.out.println(map.replace("si", "李四2"));System.out.println("after map.replace(si, 李四2):"+map);}}