Java面試必問(wèn)之Hashmap底層實(shí)現(xiàn)原理(JDK1.8)

1. 前言


上一篇從源碼方面了解了JDK1.7中Hashmap的實(shí)現(xiàn)原理，可以看到其源碼相對(duì)還是比較簡(jiǎn)單的。本篇筆者和大家一起學(xué)習(xí)下JDK1.8下Hashmap的實(shí)現(xiàn)。JDK1.8中對(duì)Hashmap做了以下改動(dòng)。

* 默認(rèn)初始化容量=0
* 引入紅黑樹(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
* 將鏈表頭插法改為尾插法，解決1.7中多線程循環(huán)鏈表的bug
* 優(yōu)化hash算法
* resize計(jì)算索引位置的算法改進(jìn)
* 先插入后擴(kuò)容
2. Hashmap中put()過(guò)程

筆者的源碼是OpenJDK1.8的源碼。

JDK1.8中，Hashmap將基本元素由Entry換成了Node，不過(guò)查看源碼后發(fā)現(xiàn)換湯不換藥，這里沒(méi)啥好說(shuō)的。

下圖是一位大神級(jí)別畫(huà)的圖，自己就不再造輪子了?？凸僬?qǐng)看



put()源碼如下
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; // 判斷數(shù)組是否為空，長(zhǎng)度是否為0，是則進(jìn)行擴(kuò)容數(shù)組初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab =
resize()).length; // 通過(guò)hash算法找到數(shù)組下標(biāo)得到數(shù)組元素，為空則新建 if ((p = tab[i = (n - 1) &
hash]) == null) tab[i] = newNode(hash, key, value, null); else { Node<K,V> e; K
k; // 找到數(shù)組元素，hash相等同時(shí)key相等，則直接覆蓋 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) e = p; // 該數(shù)組元素在鏈表長(zhǎng)度>8后形成紅黑樹(shù)結(jié)構(gòu)的對(duì)象,p為樹(shù)結(jié)構(gòu)已存在的對(duì)象
else if (p instanceof TreeNode) e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab,
hash, key, value); else { // 該數(shù)組元素hash相等，key不等，同時(shí)鏈表長(zhǎng)度<8.進(jìn)行遍歷尋找元素，有就覆蓋無(wú)則新建 for
(int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { // 新建鏈表中數(shù)據(jù)元素，尾插法
p.next = newNode(hash, key, value, null); if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD -
1) // -1 for 1st // 鏈表長(zhǎng)度>=8 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為 紅黑樹(shù) treeifyBin(tab, hash); break; } if (e.hash
== hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p =
e; } } // 新值覆蓋舊值 if (e != null) { // existing mapping for key V oldValue =
e.value; // onlyIfAbsent默認(rèn)false if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value
= value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; // 判斷是否需要擴(kuò)容 if
(++size > threshold) resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; }
基本過(guò)程如下:

*
檢查數(shù)組是否為空，執(zhí)行resize()擴(kuò)充；在實(shí)例化HashMap時(shí)，并不會(huì)進(jìn)行初始化數(shù)組）

*
通過(guò)hash值計(jì)算數(shù)組索引，獲取該索引位的首節(jié)點(diǎn)。

*
如果首節(jié)點(diǎn)為null（沒(méi)發(fā)生碰撞），則創(chuàng)建新的數(shù)組元素，直接添加節(jié)點(diǎn)到該索引位(bucket)。

*
如果首節(jié)點(diǎn)不為null（發(fā)生碰撞），那么有3種情況

① key和首節(jié)點(diǎn)的key相同，覆蓋old value（保證key的唯一性）；否則執(zhí)行②或③

② 如果首節(jié)點(diǎn)是紅黑樹(shù)節(jié)點(diǎn)（TreeNode），將鍵值對(duì)添加到紅黑樹(shù)。

③ 如果首節(jié)點(diǎn)是鏈表，進(jìn)行遍歷尋找元素，有就覆蓋無(wú)則新建，將鍵值對(duì)添加到鏈表。添加之后會(huì)判斷鏈表長(zhǎng)度是否到達(dá)TREEIFY_THRESHOLD -
1這個(gè)閾值，“嘗試”將鏈表轉(zhuǎn)換成紅黑樹(shù)。

*
最后判斷當(dāng)前元素個(gè)數(shù)是否大于threshold，擴(kuò)充數(shù)組。

3. Hashmap中g(shù)et()過(guò)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) { // 永遠(yuǎn)檢查第一個(gè)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) // 樹(shù)查找 return
((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); do { if (e.hash == hash && //
遍歷鏈表 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) return e; } while
((e = e.next) != null); } } return null; }
在Hashmap1.8中，無(wú)論是存元素還是取元素，都是優(yōu)先判斷bucket上第一個(gè)元素是否匹配，而在1.7中則是直接遍歷查找。

基本過(guò)程如下:

* 根據(jù)key計(jì)算hash;
* 檢查數(shù)組是否為空，為空返回null;
* 根據(jù)hash計(jì)算bucket位置，如果bucket第一個(gè)元素是目標(biāo)元素，直接返回。否則執(zhí)行4;
* 如果bucket上元素大于1并且是樹(shù)結(jié)構(gòu)，則執(zhí)行樹(shù)查找。否則執(zhí)行5;
* 如果是鏈表結(jié)構(gòu)，則遍歷尋找目標(biāo)
4. Hashmap中resize()過(guò)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) { // 如果已達(dá)到最大容量不在擴(kuò)容 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold
= Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } // 通過(guò)位運(yùn)算擴(kuò)容到原來(lái)的兩倍 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); } // 新的擴(kuò)容臨界值
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; // 如果該位置元素沒(méi)有next節(jié)點(diǎn)，將該元素放入新數(shù)組 if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) // 樹(shù)節(jié)點(diǎn)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { // preserve order //
鏈表節(jié)點(diǎn)。 // lo串的新索引位置與原先相同 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; //
hi串的新索引位置為[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，二進(jìn)制表示只有一個(gè)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); //
根據(jù)hash判斷該bucket上的整個(gè)鏈表的index還是舊數(shù)組的index，還是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版本中擴(kuò)容相對(duì)復(fù)雜。在1.7版本中，重新根據(jù)hash計(jì)算索引位置即可；而在1.8版本中分2種情況，下邊用圖例來(lái)解釋。





5. 總結(jié)

其余還有為什么閾值=8轉(zhuǎn)紅黑樹(shù)，長(zhǎng)度<=6 轉(zhuǎn)鏈表這些問(wèn)題?；径际菙?shù)據(jù)科學(xué)家根據(jù)概率做出的經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)避免數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)頻繁的轉(zhuǎn)換引起的性能開(kāi)銷(xiāo)。

整體看來(lái)，JDK1.8主要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和性能上對(duì)1.7進(jìn)行了優(yōu)化。

6. AD

歡迎大家關(guān)注公眾號(hào)【當(dāng)我遇上你】, 每天第一時(shí)間與您分享干貨。

• ? 上一篇：ES6語(yǔ)法:var、let、const的區(qū)別詳解
• ? 下一篇：Core + Vue 后臺(tái)管理基礎(chǔ)框架2——認(rèn)證