Java面试必问之Hashmap底层实现原理(JDK1.8)
- 2020 年 3 月 6 日
- 笔记
1. 前言
上一篇从源码方面了解了JDK1.7中Hashmap的实现原理，可以看到其源码相对还是比较简单的。本篇笔者和大家一起学习下JDK1.8下Hashmap的实现。JDK1.8中对Hashmap做了以下改动。
- 默认初始化容量=0
- 引入红黑树，优化数据结构
- 将链表头插法改为尾插法，解决1.7中多线程循环链表的bug
- 优化hash算法
- resize计算索引位置的算法改进
- 先插入后扩容
2. Hashmap中put()过程
笔者的源码是OpenJDK1.8的源码。
JDK1.8中，Hashmap将基本元素由Entry换成了Node，不过查看源码后发现换汤不换药，这里没啥好说的。
下图是一位大神级别画的图，自己就不再造轮子了。客官请看
put()源码如下
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; // 判断数组是否为空，长度是否为0，是则进行扩容数组初始化 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length; // 通过hash算法找到数组下标得到数组元素，为空则新建 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K k; // 找到数组元素，hash相等同时key相等，则直接覆盖 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) e = p; // 该数组元素在链表长度>8后形成红黑树结构的对象,p为树结构已存在的对象 else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { // 该数组元素hash相等，key不等，同时链表长度<8.进行遍历寻找元素，有就覆盖无则新建 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { // 新建链表中数据元素，尾插法 p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st // 链表长度>=8 结构转为 红黑树 treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } // 新值覆盖旧值 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue = e.value; // onlyIfAbsent默认false if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; // 判断是否需要扩容 if (++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }基本过程如下:
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检查数组是否为空，执行resize()扩充；在实例化HashMap时，并不会进行初始化数组）
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通过hash值计算数组索引，获取该索引位的首节点。
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如果首节点为null（没发生碰撞），则创建新的数组元素，直接添加节点到该索引位(bucket)。
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如果首节点不为null（发生碰撞），那么有3种情况
① key和首节点的key相同，覆盖old value（保证key的唯一性）；否则执行②或③
② 如果首节点是红黑树节点（TreeNode），将键值对添加到红黑树。
③ 如果首节点是链表，进行遍历寻找元素，有就覆盖无则新建，将键值对添加到链表。添加之后会判断链表长度是否到达TREEIFY_THRESHOLD – 1这个阈值，“尝试”将链表转换成红黑树。
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最后判断当前元素个数是否大于threshold，扩充数组。
3. Hashmap中get()过程
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) { // 永远检查第一个node if (first.hash == hash && // always check first node ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return first; if ((e = first.next) != null) { if (first instanceof TreeNode) // 树查找 return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); do { if (e.hash == hash && // 遍历链表 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while ((e = e.next) != null); } } return null; }在Hashmap1.8中，无论是存元素还是取元素，都是优先判断bucket上第一个元素是否匹配，而在1.7中则是直接遍历查找。
基本过程如下:
- 根据key计算hash;
- 检查数组是否为空，为空返回null;
- 根据hash计算bucket位置，如果bucket第一个元素是目标元素，直接返回。否则执行4;
- 如果bucket上元素大于1并且是树结构，则执行树查找。否则执行5;
- 如果是链表结构，则遍历寻找目标
4. Hashmap中resize()过程
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) { // 如果已达到最大容量不在扩容 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 通过位运算扩容到原来的两倍 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 threshold newCap = oldThr; else { // zero initial threshold signifies using defaults 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); } // 新的扩容临界值 threshold = newThr; @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; table = newTab; if (oldTab != null) { for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { oldTab[j] = null; // 如果该位置元素没有next节点，将该元素放入新数组 if (e.next == null) newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) // 树节点 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order // 链表节点。 // lo串的新索引位置与原先相同 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; // hi串的新索引位置为[原先位置j+oldCap] Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do { next = e.next; // 原索引，oldCap是2的n次方，二进制表示只有一个1，其余是0 if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else // 尾插法 loTail.next = e; loTail = e; } // 原索引+oldCap else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); // 根据hash判断该bucket上的整个链表的index还是旧数组的index，还是index+oldCap if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }JDK1.8版本中扩容相对复杂。在1.7版本中，重新根据hash计算索引位置即可；而在1.8版本中分2种情况，下边用图例来解释。
5. 总结
其余还有为什么阈值=8转红黑树，长度<=6 转链表这些问题。基本都是数据科学家根据概率做出的经验值，同时避免数据结构频繁的转换引起的性能开销。
整体看来，JDK1.8主要在数据结构、算法和性能上对1.7进行了优化。
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