HashMap原理。图文并茂式解读。这些注意点你一定还不了解

Java基础

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2019-9-7

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概述

本篇文章我们来聊聊大家日常开发中常用的一个集合类 – HashMap。HashMap 最早出现在 JDK 1.2中,底层基于散列算法实现。HashMap 允许 null 键和 null 值,在计算哈键的哈希值时,null 键哈希值为 0。HashMap 并不保证键值对的顺序,这意味着在进行某些操作后,键值对的顺序可能会发生变化。另外,需要注意的是,HashMap 是非线程安全类,在多线程环境下可能会存在问题。

属性详解

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 默认初始容量
MAXIMUM_CAPACITY 最大容量
DEFAULT_LOAD_FACTOR 默认负载因子
TREEIFY_THRESHOLD 一个桶的树化阈值(超过此值会变成红黑树)
UNTREEIFY_THRESHOLD 一个树的链表还原阈值(小于此值在resize的时候会变回链表)
MIN_TREEIFY_CAPACITY 哈希表的最小树形化容量(为了避免进行扩容、树形化选择的冲突,这个值不能小于 4 * TREEIFY_THRESHOLD)

table

HashMap中的数组(hash表)。hash表的长度总是在2^n。至于原因吗,后面专门会说的。数组里存储的是Node节点的数据

entrySet

Node<K,V> 节点构成的 set

size

当前map中存储节点的数据

modCount

hashMap发生结构性变化的次数,节点转红黑树、扩容等操作。

threshold、loadFactor

扩容阙值和装载因子。

源码知识点必备

getGenericInterfaces和getInterfaces区别

getGenericInterfaces获取直接接口
getInterfaces获取所有接口

ParameterizedType

是Type的子接口,表示一个有参数的类型。就是我们俗称的泛型。实现这个接口的类必须提供equals方法。

getRawType

返回最外层<>前面那个类型,即Map<K ,V>的Map。

getActualTypeArguments

获取“泛型实例”中<>里面的“泛型变量”(也叫类型参数)的值,这个值是一个类型。因为可能有多个“泛型变量”(如:Map<K,V>),所以返回的是一个Type[]。
注意:无论<>中有几层<>嵌套,这个方法仅仅脱去最外层的<>,之后剩下的内容就作为这个方法的返回值,所以其返回值类型是不确定的。

getOwnerType

获得这个类型的所有者的类型,主要对嵌套定义的内部类而言。列如对java.util.Map.Node<K,V> 调用getOwnerType方法返回的是interface java.util.Map接口

comparableClassFor

HashMap类中有一个comparableClassFor(Object x)方法,当x的类型为X,且X直接实现了Comparable接口(比较类型必须为X类本身)时,返回x的运行时类型;否则返回null。通过这个方法,我们可以搞清楚一些与类型、泛型相关的概念和方法

(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)

hashCode与自己的高16为进行异或 。 这样更分散
ps:
& : 全部为1则为1,否则为0 偏0
| : 有一个为1则为1,否则为0 偏1
^ : 相同为0 不同为1 更加均衡。 均匀(分散)

hash表维护

在文章开头我们就解释了HashMap中table就是我们的hash表。直观上我们可以理解成一个开辟空间的数组。HashMap通过hash(key)这个方法获取hash值。然后通过hash值确定key在hash表中的位置((n - 1) & hash)。

综合上图我们也会发现问题了。key的个数是无限的。但是我们的hash表是有限的。如何能保证hash(key)不会落在同一个位置呢。答案是不能。换句话说就是我们hash(key)无法保证。也就是hashMap会发生hash碰撞的。hash函数只能尽量避免hash碰撞。上面的(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)就是为了让hash更加分散点。这一点上面也作出了解释。

HashMap 数组长度是2^n ?

上面解释了hashmap中hash函数为什么要^ 。 那么深度源码的小伙伴可能会问,为什么hashmap默认容量是16以及后期每次扩容的时候为什么是翻倍扩容。简而言之。为什么hashMap数组长度永远是2的倍数呢。
上面我们知道如何通过hash确定在数组中位置的。
(n - 1) & hash
关于这个n是数组的长度,hash就是key值通过hash函数计算出来的hash值。
& 运算规则是: 全部为1则为1,否则为0
假设目前hashMap容量是16 , 我们来看看在扩容前后我们key的在是数组中的索引。

经过图片鲜明的对比我们发现,扩容前后是不会影响原来数据(高位为0)的索引位置的。这里要注意的是并不是说所有数据不受影响,只要原来从右至左第五位为0的hash会受影响,其他不会。这样大大减少了数组位置调换的操作。性能上也大大的提高了。从这里也可以看出hashmap容量越大,扩容是越复杂,因为容量越大,需要换位置的索引越多。
那么如果我们扩容是不是选择扩大2倍 , 我们看看会发生什么样情况。

上图中是有16扩展成了24容量。这个时候我们会发现除了(从右至左)第五位以为第四位的数据也发生了变化。这样造成的接口是第四位和第五位的数据都会变化。这样增加了索引位置的数量。所以我们需要在每次扩容为原来的2倍。

神奇的hashmap遍历

做Java的肯定会遇到的一种情况是,为什么我的map遍历的顺序和我添加的顺序不一致呢。有时候我们做列表展示的时候对顺序是有要求的。但是hashmap偏偏和我们想的不一样。今天华仔带你看看为什么会出现这种神奇的遍历。

public final void forEach(Consumer<? super K> action) {
    Node<K,V>[] tab;
    if (action == null)
        throw new NullPointerException();
    if (size > 0 && (tab = table) != null) {
        int mc = modCount;
        for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
            for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                action.accept(e.key);
        }
        if (modCount != mc)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

从上面的代码我们可以看出来hashmap在遍历时候,是先遍历数组然后取到数组中链表(红黑树)按照顺序获取node节点的。也即是说我们先按数组再按链表顺序。而不是按照你添加先后的顺序。而上面我们了解添加的node决定其位置的是key的hash值。所以这就解释了为什么hashmap遍历的时候和我们添加不一致的了。

put 流程跟踪

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

其他方法原理是相同的。值得注意的是remove后临界情况会发生红黑树转链表。所以转红黑树的这个阙值的选取有时候会影响性能的高低。下面看看put的实际源码吧。拜读下大佬的代码。

上面的代码可以看出来put实际调用的方法是putVal();
int hash : key对应的hash值
K key, : key
V value, : value
onlyIfAbsent : 如果存在则忽略,默认false表示新值会覆盖旧值
boolean evict: 表示是否在构造table时调用

/**
* Implements Map.put and related methods
*
* @param hash hash for key
* @param key the key
* @param value the value to put
* @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
* @param evict if false, the table is in creation mode.
* @return previous value, or null if none
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
            boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
    Node<K,V> e; K k;
    if (p.hash == hash &&
        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
        e = p;
    else if (p instanceof TreeNode)
        e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
    else {
        for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
            if ((e = p.next) == null) {
                p.next = newNode(hash, key, value, null);
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                    treeifyBin(tab, hash);
                break;
            }
            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;
    }
}
++modCount;
if (++size > threshold)
    resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

寒暄一句

个人几天时间总结的,有网上前辈的总结,也有加入个人的想法。
再次申明:以上图片部分来自网络。

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作者:zxhtom