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浅析 jdk1.8源码之HashMap

16-09-06

浅析 jdk1 8源码之HashMap

HashMap是我们日常Java开发的最重要的数据结构之一,HashMap以其快速的访存效率而得以广泛的应用。JDK1.8起,HashMap更是做出了重大的算法结构调整,对hash碰撞后生成的链表结构进行了优化,下面我们针对1.8的核心源码进行简单的分析。

HashMap的初始化干了什么?

 

 public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted    -->这里的DEFAULT_LOAD_FACTOR=0.75 我们叫它负载因子,干什么用的?
    }			//指的是我们默认定义的最大承载量装满多少时,我们追加分配节点数,例如,HashMap默认的初始最大承载量
			//DEFAULT_INITIAL_CAPACITY=16,当使用的节点数到达(16*0.75)12时,我们会进行resize,即CAPACITY<<1的操作							//其实就是*2啦,为了证明我们是学过计算机的,还是把逼格提升一下
HashMap的put(K,V)时,实际上做了如下操作:

 

 

 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node[] tab; Node p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)//table是hashMap的node数组,是用来存装每个价值对的数据节点
            n = (tab = resize()).length;//HashMap初始化后初次使用时会对table进行resize操作,这一部分会在下面详述
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)	//根据key的hash值进行定位,即确定存入的数据节点会被存到tab数组的哪个索引位置
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);	//如果此时该索引处没有node节点存入,我们就创建节点直接赋值,那么会存在已经有node节点的情况
							//吗?让然是肯定的,我们在给一个存入的不同key计算hash值得时候,完全有机会多个key得到同样的
							//hash,或者(n-1)&hash相同,我们称之为hash碰撞,这个时候新插入的节点存在哪里?做链表操作,
							//node节点中有一个域叫做next,相信学过数据机构的人都知道,这个域实质上就是一个Node类型的引								//用,指向了下一个node节点,这样就不怕hash碰撞了。
        else {						//但是,我们要无限的做链表操作吗?链表的访存可以要遍历的啊,这样时间复杂度O(n)啊,不能忍!	
            Node e; K k;
            if (p.hash == hash &&			//这里处理的是HashMap的覆盖问题,即对已经有的key值的节点,直接盖上去,这就是HashMap为啥不
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//不能有相等key值的多个节点。
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)		//这里很关键,当p节点(第二个分之处赋值的,是指的hash相同的已经存在的节点)是TreeNode(继
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);//承自Node)类型,我们直接将这个node节点放入HashMap的tree中,等等?怎么不明
							//不白的出现个tree?刚不还链表呢吗?以下这个分支就是用来回答这个问题的,接着看!    
	    else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {			//在还未生成树的情况下,我们开始遍历链表
                    if ((e = p.next) == null) {				//在p节点的next域引用如果是空的,我们可以继续延长链表
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 		//TREEIFY_THRESHOLD 常量值8,也就是链表的最大长度为8,多了咋办?构建二叉树。				treeifyBin(tab, hash);			//开始构建二叉树,代码稍后分析
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))//同上,当链表或者树形节点也发生key相同的情况,我们同样要覆盖
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)			//onlyIfAbsent if true, don't change existing value,默认false,重复key时,
                    e.value = value;					//value进行覆盖,true则不覆盖
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)						//添加节点之后,如果node节点数超过定义threshold,默认12(16*0.75)则resize
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);					//evict if false, the table is in creation mode.该方法在HashMap中无实现
        return null;
    }

以上是put操作的概览,下面对resize(),treeifyBin(tab,hash)进行解读:

 

resize

其实,resize不仅是重新为承载量和threshold赋值,其关键是对原有的table进行扩容,不知你发现没有,上文中在为新加入node选择位置时,是利用的(n-1)&hash,当为hashmap扩容时,n的值实际上发生了改变,这样,如果不为原来的node重新计算索引,势必会导致新老node在以(n-1)&hash为基础访存元素时发生冲突,因此,重新为node计算索引才是resize的关键。

 

final Node[] resize() {
        Node[] oldTab = table;
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;	//可以看出源码很严谨,对很多可能出现错误的地方进行了限制,oldCap指最大容量
        int oldThr = threshold;					//threshold指的是:容量*负载因子,如 16*0.75 = 12
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {			//MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30
                threshold = Integer.MAX_VALUE;			//threshold允许的最大值
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&	//MAXIMUM_CAPACITY如果没超过限制,那么就<<1,如果容量依旧合法,那么把
									//threshold也<<1
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)		
                newThr = oldThr << 1; 					// double threshold
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold//对以上的情况做额外的限制,具体补充的什么大家自己看,不是重点
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults//HashMap初次使用时的情景
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;				// 16
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);	//这就是之前提及的 16*0.75啦
        }
        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[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {		//遍历table数组的每一个node,就会有三种情况
                Node e;	
                if ((e = oldTab[j]) != null) {		//当遍历的索引处有node元素时,可以分为以下三种
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)			//1.单个node,也就是没有Hash碰撞,没有形成链表
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;	
                    else if (e instanceof TreeNode)	//2.已经形成二叉树的结构,利用TreeNode的split方法将节点添加到新的位置	
                        ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                    else { // preserve order		//3.超过两个,不多于8个,链表形式,只需要将链表循环遍历,为每个node计算
                        Node loHead = null, loTail = null;	//索引并添加,注意,之前在同一个链表的node,重新计算得结果可能不再是同一个
                        Node hiHead = null, hiTail = null;	//链表
                        Node next;
                        do {
                            next = e.next;
                            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                if (loTail == null)
                                    loHead = e;
                                else
                                    loTail.next = e;
                                loTail = e;
                            }
                            else {
                                if (hiTail == null)
                                    hiHead = e;
                                else
                                    hiTail.next = e;
                                hiTail = e;
                            }
                        } while ((e = next) != null);
                        if (loTail != null) {
                            loTail.next = null;
                            newTab[j] = loHead;
                        }
                        if (hiTail != null) {
                            hiTail.next = null;
                            newTab[j + oldCap] = hiHead;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        return newTab;
    }

treeifyBin

 

链表转二叉树,以上已经说明,当链表足够长时,访存效率会很低,jdk1.8将8设置为链表的最大长度,当大于8时,做如下转换:

 

    /**
     * Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless
     * table is too small, in which case resizes instead.
     */
    final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) {
        int n, index; Node e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {	//数组元素非空的情况下,转化为二叉树节点
            TreeNode hd = null, tl = null;
            do {	//循环遍历链表,对每个节点做TreeNode转换
                TreeNode p = replacementTreeNode(e, null);	//由于节点扩容等原因,需要对index重新规划,故做预处理如下
                if (tl == null)					//设置根节点
                    hd = p;
                else {						
                    p.prev = tl;				//设置前驱节点
                    tl.next = p;				//设置后继
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);				//正式开始链表转二叉树
        }
    }
链表转二叉树

 

 

 /**
         * Forms tree of the nodes linked from this node.
         * @return root of tree
         */
        final void treeify(Node[] tab) {
            TreeNode root = null;
            for (TreeNode x = this, next; x != null; x = next) {
                next = (TreeNode)x.next;
                x.left = x.right = null;
                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 p = root;;) {
                        int dir, ph;
                        K pk = p.key;
                        if ((ph = p.hash) > h)
                            dir = -1;
                        else if (ph < h)
                            dir = 1;
                        else if ((kc == null &&
                                  (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                                 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                            dir = tieBreakOrder(k, pk);

                        TreeNode xp = p;
                        if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                            x.parent = xp;
                            if (dir <= 0)
                                xp.left = x;
                            else
                                xp.right = x;
                            root = balanceInsertion(root, x);
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
            moveRootToFront(tab, root);
        }
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