JDK8HashMap的一些思考
JDK8HashMap
文中提及HashMap7的參見部落格//www.cnblogs.com/danzZ/p/14075147.html
紅黑樹、TreeMap分析詳見//www.cnblogs.com/danzZ/p/14068984.html
成員變數
//同jdk7
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//樹化閾值，也就是說鏈表長度超過8才會進行樹化
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//鏈表化閾值，也就是說紅黑樹的節點個數少於6才會退化成鏈表
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//最小樹化容量，也就是說數組長度超過64才會樹化
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//還是熟悉的味道，Node數組，數組加鏈表的存儲結構
transient Node<K,V>[] table;
為什麼突然多了一個樹化閾值？紅黑樹？為什麼要引入紅黑樹？
為什麼樹化閾值和鏈表化閾值不相等呢？
簡單來說，樹化閾值和鏈表化閾值應該相等，統一為一個閾值，超過則樹化，低於則鏈表化，假設就規定為8，就會出現這樣的問題，如果一個鏈表長度從7到8了，那麼就樹化，但是過一會兒又從8到7了，又需要變回鏈表，而無論鏈錶轉化成樹還是樹轉化成鏈表，都是非常費時的，這就大大降低了HashMap的效率，此外在樹化、鏈表化的過程中有大量的垃圾對象產生，從而加快觸發GC
為什麼樹化閾值要設置為8呢？
等下揭曉
內部類Node
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
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;
}
}
等同於JDK7的entry節點換了個名字，還是熟悉的鏈表
內部類TreeNode
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
}
boolean red，紅黑樹它來了
為什麼需要紅黑樹？為什麼是紅黑樹？
HashMap向外提供的功能就是時間複雜度為O(1)的查詢，但是基於數組鏈表的衝突解決方式，以及HashMap通過位運算計算index的方式，如果hashCode的實現不能實現很好的分散效果，比如自己的類中重寫了hashCode方法，可能導致某一個鏈表過長，從而使得HashMap的查詢速度退化到O(n)，這是沒有辦法接收的，所以需要選擇一種支援快速查找的結構–有序的二叉樹
為什麼是紅黑樹
這一點在關於TreeMap中已經分析清楚了，如果選擇二叉搜索樹，在一定的情況下，二叉搜索樹會退化成鏈表，而AVL樹的實現複雜，插入刪除效率不及紅黑樹，所以選擇綜合性能不錯的紅黑樹。
- 紅黑樹、TreeMap分析詳見//www.cnblogs.com/danzZ/p/14068984.html
構造方法
JDK8
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;
//tableSizeFor方法返回一個大於initialCapacity的最小二次冪
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
JDK7
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//做一些範圍檢查
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);
//對loadFactor賦值以及threshold賦值
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
//空方法，交由子類實現，在HashMap中無用
init();
}
區別：
- 計算大於傳入capacity的第一個二次冪在JDK8的實現中，在構造函數中就完成了，並且賦值給了threshold，而在JDK7的實現中，第一次put元素的時候完成計算
- JDK7中調用了Integer的
highestOneBit()、countBit()方法計算二次冪，JDK8中自己實現了
put()詳解
put()
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
新增兩個參數：
@param onlyIfAbsent if true, don't change existing value 對應第四個參數-false
如果為true，插入已經存在key時，不修改value
@param evict if false, the table is in creation mode. 對應第五個參數-true
暫且不明
putVal()
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
//初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//(n - 1) & hash
//JDK8中沒有了indexFor方法，但是還是採用同樣的邏輯計算index
//為null直接插入
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//發生哈希衝突
Node<K,V> e; K k;
//如果與第一個node的key的hash值相同，並且key相同
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果已經是樹結構了，調用紅黑樹的方式插入結點
//紅黑樹的插入等下再聊
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//區別於JDK7中的頭插法，採用了尾插法，為什麼採用尾插法呢？
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果當前的鏈表長度超過了樹化閾值則樹化，-1是因為第一個結點沒計數
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;
//根據傳入的參數onlyIfAbSent決定是否修改已經存在的key對應的value值
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
//如果size超過閾值，則擴容
if (++size > threshold)
resize();
//hashMap中為空方法
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
從上面的程式碼可以看出數組鏈表的邏輯基本類似，但是JDK8中的實現中新結點的插入採用了尾插法
為什麼採用尾插法呢？頭插法貌似看起來更加高效
頭插法的問題明天再補！
hash()
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
相較於JDK7的多次擾動，JDK8的擾動次數減少了但是利用了高16位和低16位的數據來進行擾動
擴容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) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//newCap=oldCap << 1擴容為原來的兩倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
//oldCap==0
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//如果構造函數中計算出來的threshold被賦值給newCap了
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//如果調用了默認的構造函數，cap和threshold就會不一樣
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];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
//拷貝數組
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
//如果鏈表只有這一個節點
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//如果是紅黑樹
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;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
//尾插法
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
}
while ((e = next) != null);
//這裡就可以直接將兩條鏈的頭部拷貝到新的node數組的相應位置即可
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
拋開紅黑樹來看，這裡利用了一個特性
假設hashcode= 0010 1111 初始容量為8
index=hashcode&(leng-1)=0010 1111 & 0000 0111 = 0000 0111 =7
此外還有一個hashcode2 = 0000 0111
按照相同的index計算方法，兩者發生了衝突，此時如果發生擴容
新的容量為16-1 = 15 = 0000 1111
此時兩者再去運算結果分別為：
index1 = 1111 = 15 index2 = 0111 = 7
通過上面的舉例可以看出，容量左移一位之後，左移的那一位是否為1導致舊鏈分裂成兩條新鏈，而這兩條新鏈的head結點的差值就是最高位的1表示的大小（1000=8），也就是舊的容量
初始化
其中初始化也會調用到resize方法，分別走兩個分支
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
//如果構造函數中計算出來的threshold被賦值給newCap了
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
//如果調用了默認的構造函數，cap和threshold就會不一樣
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
與JDK7中的實現不大相同，第一個分支的capacity與threshold是相同的，通過簡單的實驗查看驗證一下
public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>(8);
Class<? extends HashMap> mapClass = map.getClass();
//threshold
Field threshold = mapClass.getDeclaredField("threshold");
threshold.setAccessible(true);
try {
Integer num = (Integer)threshold.get(map);
System.out.println(num);
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
//capacity
try {
map.put(1,1);
Method capacity = map.getClass().getDeclaredMethod("capacity");
capacity.setAccessible(true);
Integer c = (Integer)capacity.invoke(map);
System.out.println(c);
} catch (NoSuchMethodException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
}
兩個輸出都是8，而初始化如果不傳入，則會發現capacity為16，threshold為12=16*0.75，這與JDK7還是略有不同的
紅黑樹
樹化
treeifyBin()
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
//如果length<64，不進行樹化，進行擴容，擴容同樣可能導致鏈的分裂從而縮短鏈的長度
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
//把Node鏈錶轉換成TreeNode鏈表
do {
//replacementTreeNode把Node轉成TreeNode，new一個新的出來賦值即可
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
//你可能比較差異，TreeNode結構裡面沒有聲明next變數，但是你順著TreeNode的繼承結構會發現它實際繼承了Node，自然就會有next成員變數
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
replacementTreeNode()
TreeNode<K,V> replacementTreeNode(Node<K,V> p, Node<K,V> next) {
return new TreeNode<>(p.hash, p.key, p.value, next);
}
關鍵方法treeify()
final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
TreeNode<K,V> root = null;
for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
next = (TreeNode<K,V>)x.next;
x.left = x.right = null;
//root結點為null，root->x，並且將x染黑
if (root == null) {
x.parent = null;
x.red = false;
root = x;
}
else {
K k = x.key;
int h = x.hash;
Class<?> kc = null;
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph;
K pk = p.key;
//利用hash排序
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
else if (ph < h)
dir = 1;
//是否利用自己定義的排序規則進行排序，這裡就不細究了
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
dir = tieBreakOrder(k, pk);
TreeNode<K,V> xp = p;
//if dir<=0 p=p.left else p=p.right
//二分搜索隱藏在這裡
//if p!=null 說明還沒找到
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
x.parent = xp;
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
//插入平衡，與TreeMap中的紅黑樹實現基本一致
root = balanceInsertion(root, x);
break;
}
}
}
}
moveRootToFront(tab, root);
}
balanceInsertion()
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceInsertion(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> x) {
x.red = true;
for (TreeNode<K,V> xp, xpp, xppl, xppr;;) {
//第一個結點，直接染黑即可
if ((xp = x.parent) == null) {
x.red = false;
return x;
}
else if (!xp.red || (xpp = xp.parent) == null)
//root
return root;
//x的父親為祖父的左孩子
if (xp == (xppl = xpp.left)) {
//叔叔結點為紅，父親叔叔染黑，祖父染紅，祖父成為x
if ((xppr = xpp.right) != null && xppr.red) {
xppr.red = false;
xp.red = false;
xpp.red = true;
x = xpp;
}
//叔叔結點為Nil或者黑色
else {
//x為父親的右孩子，以父親為中心左旋
if (x == xp.right) {
root = rotateLeft(root, x = xp);
xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
}
//x為左孩子，父親染黑，祖父染紅，以祖父為中心右旋
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateRight(root, xpp);
}
}
}
}
//對稱操作
else {
if (xppl != null && xppl.red) {
xppl.red = false;
xp.red = false;
xpp.red = true;
x = xpp;
}
else {
if (x == xp.left) {
root = rotateRight(root, x = xp);
xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
}
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateLeft(root, xpp);
}
}
}
}
}
}
樹的插入
putTreeVal()
不貼程式碼了，一樣的操作，先定位再插入，最後平衡紅黑樹
樹化的閾值為何是8
這裡貼一段HashMap中的官方的註解即可
Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we
use them only when bins contain enough nodes to warrant use
(see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due to
removal or resizing) they are converted back to plain bins. In
usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are
rarely used. Ideally, under random hashCodes, the frequency of
nodes in bins follows a Poisson distribution.The first values are:
0: 0.60653066
1: 0.30326533
2: 0.07581633
3: 0.01263606
4: 0.00157952
5: 0.00015795
6: 0.00001316
7: 0.00000094
8: 0.00000006
簡單翻譯一下就是，treeNode的大小大約為普通Node的2倍數，比較占記憶體，如果使用well-distributed也就是分布合理的hashcode方法，很難用到紅黑樹，因為如果完全分布合理，只會觸發擴容。
所以JDK的意思就是能不用紅黑樹就不用
under random hashCodes, the frequency of nodes in bins follows a Poisson distribution.
如果在足夠random的hashcode下，每個鏈表的大小服從泊松分布，可以看到當鏈表長度為8時，可能性已經很小了，設置成8的意思就是說在足夠random的hashcode方法下，儘可能的不使用紅黑樹，那麼設置成8就足夠了
你可能有問題？既然JDK要極力避免使用紅黑樹，為什麼還要作為一種實現添加進來呢？
上面的前提是足夠隨機的hashcode計算，架不住有些同志的類自己重寫了hashCode方法，那麼就有可能導致分布不均勻，導致鏈表過長，如果不樹化，就妄為hashMap查詢時間複雜度O(1)的名號了！！
