源碼解析JDK1.8-HashMap鏈表成環的問題解決方案

• 2020 年 8 月 19 日
• 筆記
• JAVA, 大廠, 數據結構, 鏈表, 面試現場, 面試題

前言

　　上篇文章詳解介紹了HashMap在JDK1.7版本中鏈表成環的原因，今天介紹下JDK1.8針對HashMap執行緒安全問題的解決方案。

jdk1.8 擴容源碼解析

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
   implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
   
   // jdk1.8 HashMap擴容源碼
final Node<K,V>[] resize() {
       
       Node<K,V>[] oldTab = table;
       
       // 到@SuppressWarnings都是計算newTab的newCap和threshold容量
       int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
       int oldThr = threshold;
       int newCap, newThr = 0;
       if (oldCap > 0) {
           if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
               threshold = Integer.MAX_VALUE;
               return oldTab;
          }
           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);
      }
       threshold = newThr;
       @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
           Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
       
       // 開始進行數據遷移
       table = newTab;
       if (oldTab != null) {
           // 遍歷oldTab中的數據，並遷移到新數組。
           for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
               Node<K,V> e;
               // 如果oldTab數組中j位置數據不為null，進行遍歷，並賦值給e，避免直接對oldTab進行操作
               if ((e = oldTab[j]) != null) {
                   oldTab[j] = null;
                   // 如果oldTab的j位置數據沒有形成鏈表，就直接賦值到newTab
                   if (e.next == null)
                       newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                   // 鏈錶轉換成了紅黑樹，針對紅黑樹的遷移方式
                   else if (e instanceof TreeNode)
                      ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                   // 針對鏈表的數據遷移方式
                   else { // preserve order
                       // loHead 表示老值,老值的意思是擴容後，該鏈表中計算出索引位置不變的元素
                       Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                       // hiHead 表示新值，新值的意思是擴容後，計算出索引位置發生變化的元素
                       Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                       Node<K,V> next;
                       do {
                           next = e.next;
                           // 表示老值鏈表，即該鏈表中計算出索引位置不變的元素
                           if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                               if (loTail == null)
                                   loHead = e;
                               else
                                   loTail.next = e;
                               loTail = e;
                          }
                           // 表示新值鏈表，即計算出索引位置發生變化的元素
                           else {
                               if (hiTail == null)
                                   hiHead = e;
                               else
                                   hiTail.next = e;
                               hiTail = e;
                          }
                      } while ((e = next) != null);
                       // 生成鏈表後整體賦值
                       // 老鏈表整體賦值
                       if (loTail != null) {
                           loTail.next = null;
                           newTab[j] = loHead;
                      }
                       // 新鏈表整體賦值
                       if (hiTail != null) {
                           hiTail.next = null;
                           newTab[j + oldCap] = hiHead;
                      }
                  }
              }
          }
      }
       return newTab;
  }
}

　　看完上邊的程式碼後，可能也是一頭霧水，下面我們重點對其中的細節點進行解析，針對計算newTab的newCap和threshold容量部分我們就不詳細闡述，重點從數據遷移部分進行分析。我們按照程式碼順序分步進行分析。

1、利用for循環遍歷oldTab中的數據

for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
　　Node<K,V> e;

2、對oldTab在j位置的數據進行判斷，並進行數據遷移操作

　　如果在oldTab的j位置數據沒有形成鏈表

if (e.next == null)
　　newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;

　　如果e.next == null，也就是e沒有next數據節點，通過這種方法判斷是否形成了鏈表數據結構，如果沒有形成鏈表數據結構，直接將數據放到對應newTab的位置即可。

e.hash & (newCap – 1) : 代表newTab存放e數據的位置，假如，e.hash = 5，oldCap = 4（老數組oldTab的長度），newCap = 8（新數組newTab的長度，即老數組2倍擴容），那麼該e元素：在oldTab中的位置為：5 & (4 – 1) = 1

 101

& 11

 001

在newTab中的位置為：5 & (8 – 1) = 5

   101

& 111

   101

　　這種計算方式既能保證數據存儲散列，又能避免計算出的位置超出最大容量（也就是數組角標越界，因為作&運算，不會超過oldTab-1和newTab-1）。

3、鏈錶轉換成了紅黑樹，針對紅黑樹的遷移方式

else if (e instanceof TreeNode)
　　((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);

　　具體的遍歷方式贊不做解析，如想了解更多，請關注公眾號「程式設計師清辭」。

4、針對鏈表的數據遷移方式

else { // preserve order
　　// loHead 表示老值,老值的意思是擴容後，該鏈表中計算出索引位置不變的元素
　　Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
　　// hiHead 表示新值，新值的意思是擴容後，計算出索引位置發生變化的元素
　　Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
　　Node<K,V> next;
　　do {
　　　　next = e.next;
　　　　// 表示老值鏈表，即該鏈表中計算出索引位置不變的元素
　　　　if ((e.hash & oldCap) == 0) {
　　　　　　if (loTail == null)
　　　　　　　　loHead = e;
　　　　　　else
　　　　　　　　loTail.next = e;
　　　　　　loTail = e;
　　　　}
　　　　// 表示新值鏈表，即計算出索引位置發生變化的元素
　　　　else {
　　　　　　if (hiTail == null)
　　　　　　　　hiHead = e;
　　　　　　else
　　　　　　　　hiTail.next = e;
　　　　　　hiTail = e;
　　　　}
　　} while ((e = next) != null);
}

jdk1.8版本為了提高鏈表遷移的效率，引用兩個新的概念：

loHead：表示老值,老值的意思是擴容後，該鏈表中計算出索引位置不變的元素。

hiHead：表示新值，新值的意思是擴容後，計算出索引位置發生變化的元素。

　　舉個例子，數組大小是 8 ，在數組索引位置是 1 的地方掛著一個鏈表，鏈表有兩個值，兩個值的 hashcode 分別是是9和33。當數組發生擴容時，新數組的大小是 16，此時 hashcode 是 33 的值計算出來的數組索引位置仍然是 1，我們稱為老值hashcode 是 9 的值計算出來的數組索引位置是 9，就發生了變化，我們稱為新值。

　　針對鏈表做do-while遍歷，條件為(e = next) != null。利用(e.hash & oldCap) == 0來判斷元素e屬於新值鏈表還是老值鏈表。參考上面索引位置計算演算法 e.hash & (oldCap – 1)，這次直接利用e.hash與oldCap作&運算，因為oldCap為4、8、16…為2的指數，其二進位為100，1000，10000….，所以e.hash與其作&運算，假如oldCap = 4，newCap = 8，那麼最終計算得到的值如果等於0，則該元素的位置0~3之間，除此之外在4~7之間。通過這種方式判斷元素e屬於老值還是新值，這樣生成兩條新的鏈表。

5、生成新老鏈表後整體賦值

// 老鏈表整體賦值
if (loTail != null) {
　　loTail.next = null;
　　newTab[j] = loHead;
}
// 新鏈表整體賦值
if (hiTail != null) {
　　hiTail.next = null;
　　newTab[j + oldCap] = hiHead;
}

　　如果是老鏈表，直接將數據賦值給newTab[j]。如果是新鏈表，需要進行將j增加oldCap的長度，通過e.hash & (newTab – 1)計算後得到的也是這個值。計算原理是相通的。

總結：

1. jdk1.8 是等鏈表整個 while 循環結束後，才給數組賦值，此時使用局部變數 loHead 和 hiHead 來保存鏈表的值，因為是局部變數，所以多執行緒的情況下，肯定是沒有問題的。

2. 為什麼有 loHead 和 hiHead 兩個新老值來保存鏈表呢，主要是因為擴容後，鏈表中的元素的索引位置是可能發生變化的。