开篇
这篇文章的主要是想把HashMap进行一个讲解，在上一篇java源码-HashSet当中其实已经提到过了一点点HashMap的源码实现了，这篇文章会更加详细的进行讲解，顺带会讲解一些比较奇妙的源码实现。
HashMap类图
HashMap类图
数据结构
在jdk1.8的HashMap的数据结构当中我们看到很多定义的常量基本上和扩容相关的：
- 核心变量table变量用于保存HashMap的变量
- size用于保存HashMap中变量的值，
- modCount用于记录变更次数便于遍历的时候抛异常
在源码当中我们用transient变量修饰table变量，那序列化怎么办？其实HashMap自行定义了序列化接口，参考《Java中HashMap关键字transient的疑惑》。
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
// 初始容量，也就是默认会创建 16 个箱子，箱子的个数不能太多或太少。如果太少，很容易触发扩容，如果太多，遍历哈希表会比较慢。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
// 哈希表最大容量，一般情况下只要内存够用，哈希表不会出现问题。
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认的负载因子。因此初始情况下，当键值对的数量大于 16 * 0.75 = 12 时，就会触发扩容。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// Java的处理方案是当链表太长时，转换成红黑树。这个值表示当某个箱子中，链表长度大于 8 时，有可能会转化成树。
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 在哈希表扩容时，如果发现链表长度小于 6，则会由树重新退化为链表。
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 在转变成树之前，还会有一次判断，只有键值对数量大于 64 才会发生转换。这是为了避免在哈希表建立初期，多个键值对恰好被放入了同一个链表中而导致不必要的转化。
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// hash桶的数组
transient Node<K,V>[] table;
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
// 变量的个数
transient int size;
// HashMap的变更次数
transient int modCount;
// HashMap的hash桶的数量
int threshold;
// HashMap的负载因子
final float loadFactor;
构造函数
HashMap的构造函数执行的操作非常简单，就是初始化两个核心变量loadFactor和threshold。不过这里有一个非常巧妙的实现tableSizeFor方法，那就是计算比initialCapacity大且最接近的的2*n的变量。
tableSizeFor方法的核心思想通过位操作 依次 将最高位为1的HashMap的后2位(包括高位的1)，后4位(包括高位的1)，后8位(包括高位的1)，后16位(包括高位的1)，最后形成类似0111111111+1=10000000的变量值就得到了2 * n变量。
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;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
*/
static final int tableSizeFor(int cap) {
int n = cap - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
Node的数据结构是实实在在保存Map的key/value结构的变量，内部除了保存key、value的变量外，还有key的对应的hash值，以及指向下一个Node指针，就这些。
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;
}
public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
增删改查
添加变量
在HashMap内部真正执行的是putVal()方法，在putVal()的内部执行其实按照以下顺序执行的。
- 如果HashMap内部的桶数组没有初始化就创建一个桶数组
- 通过hash值找到桶下标，如果对应位置为空就直接创建一个Node节点newNode
- 通过hash值找到桶下标，如果对于位置不为空那么就直接比较key是否相等，如果相等就直接返回，如果遍历完成后都没有找到那么在链表的最后连接一个新创的节点
- 在新增节点后判断是否超过上限需要进行resize动作，resize()函数也是一个很有意思的过程，这个放到HashMap当中去分析吧
- ++modCount这个会记录值的变更然后通过比较值抛出更改异常
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;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
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;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
remove()方法
HashMap的remove方法内部逻辑通过对key进行hash定位到hash桶的下标，然后遍历桶下面的列表节点通过比较key是否相同进行删除。
删除后同样会--size减少size，更新 ++modCount。
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
else
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
clear()方法
HashMap的内部clear当中就是直接把HashMap的桶的值的每个下标的值为null就可以了，估计内部会进行垃圾回收？
public void clear() {
Node<K,V>[] tab;
modCount++;
if ((tab = table) != null && size > 0) {
size = 0;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i)
tab[i] = null;
}
}
contains()方法
HashMap的containsKey方法来判断key是否存在，而containsKey内部通过根据key的hash值，通过计算的hash值找到table的槽位，如果第一个元素的key就是查询的key就直接返回，否则就依次遍历冲突链逐个进行比较解决。
这里需要说明的就是hash方法内部其实就是对key取了个hashcode()的值。
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
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) {
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)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
resize()方法
HashMap的resize()方法是整个HashMap当中最值得仔细分析的逻辑，在jdk1.7和jdk1.8两个版本当中实现非常不一样，在jdk1.7当中会造成死循环，而在jdk1.8当中已经不会造成死循环了，这点完全可以用来考考那种号称看了jdk1.8源码的童鞋，为什么会造成死循环请继续往下看。HashMap的扩展过程如下：
- HashMap的resize以2倍的速率进行扩展(newCap = oldCap << 1)
- 遍历oldTab的所有变量重新rehash到newTab当中，rehash过程设计非常巧妙
- rehash过程针对每个hash桶进行，针对每个hash桶里面的变量，我们按照原来的顺序生成loHead和loTail，或按照原来的顺序生成hiHead或hiTail，然后整体挂到newTab当中
- 我个人认为在jdk1.8当中这种按照原来的顺序生成的过程保证了不会形成死循环。
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;
}
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];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
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;
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;
}
迭代器Iterator
在HashMap的数据结构当中，有三类迭代器分别是KeySet、Values、EntrySet。通过源码看了以后就会发现这三者的实现其实基本上是一致的，核心的关键点在于 HashIterator 的设计。其他的差别就是从Node节点的取数对象不一致，有的取的是key，有的取的是value，有的取的是整个Node对象。
在调用map.keySet()或者map.values()或者map.entrySet()方法时，我们都会创建KeySet对象，Values对象，EntrySet对象，但是这些不是重点，重点是这些对象提供一个iterator方法。
在KeySet对象的返回的是KeyIterator对象，在Values对象返回的是ValueIterator对象，在EntrySet对象返回的是EntryIterator对象。
在KeyIterator、ValueIterator、EntryIterator初始化过程中，她们会首先初始化共有的基类HashIterator，在HashIterator的构造函数当中，会把当前map的table对象放入到迭代器当中，所有的操作就在这个HashIterator的内部执行的。
HashIterator的nextNode()方法内部，按照二维的方向进行遍历，先遍历一个hash桶下所有的Node，遍历完以后继续遍历下一个hash桶的所有Node，直至遍历完成。
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
if (ks == null) {
ks = new KeySet();
keySet = ks;
}
return ks;
}
final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public final int size() { return size; }
public final void clear() { HashMap.this.clear(); }
public final Iterator<K> iterator() { return new KeyIterator(); }
public final boolean contains(Object o) { return containsKey(o); }
public final boolean remove(Object key) {
return removeNode(hash(key), key, null, false, true) != null;
}
public final Spliterator<K> spliterator() {
return new KeySpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
}
public final void forEach(Consumer<? super K> action) {
Node<K,V>[] tab;
if (action == null)
throw new NullPointerException();
if (size > 0 && (tab = table) != null) {
int mc = modCount;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
action.accept(e.key);
}
if (modCount != mc)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
final class KeyIterator extends HashIterator
implements Iterator<K> {
public final K next() { return nextNode().key; }
}
public Collection<V> values() {
Collection<V> vs = values;
if (vs == null) {
vs = new Values();
values = vs;
}
return vs;
}
final class Values extends AbstractCollection<V> {
public final int size() { return size; }
public final void clear() { HashMap.this.clear(); }
public final Iterator<V> iterator() { return new ValueIterator(); }
public final boolean contains(Object o) { return containsValue(o); }
public final Spliterator<V> spliterator() {
return new ValueSpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
}
public final void forEach(Consumer<? super V> action) {
Node<K,V>[] tab;
if (action == null)
throw new NullPointerException();
if (size > 0 && (tab = table) != null) {
int mc = modCount;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
action.accept(e.value);
}
if (modCount != mc)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
final class ValueIterator extends HashIterator
implements Iterator<V> {
public final V next() { return nextNode().value; }
}
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
Set<Map.Entry<K,V>> es;
return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;
}
final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public final int size() { return size; }
public final void clear() { HashMap.this.clear(); }
public final Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return new EntryIterator();
}
public final boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>) o;
Object key = e.getKey();
Node<K,V> candidate = getNode(hash(key), key);
return candidate != null && candidate.equals(e);
}
public final boolean remove(Object o) {
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>) o;
Object key = e.getKey();
Object value = e.getValue();
return removeNode(hash(key), key, value, true, true) != null;
}
return false;
}
public final Spliterator<Map.Entry<K,V>> spliterator() {
return new EntrySpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
}
public final void forEach(Consumer<? super Map.Entry<K,V>> action) {
Node<K,V>[] tab;
if (action == null)
throw new NullPointerException();
if (size > 0 && (tab = table) != null) {
int mc = modCount;
for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
action.accept(e);
}
if (modCount != mc)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
}
final class EntryIterator extends HashIterator
implements Iterator<Map.Entry<K,V>> {
public final Map.Entry<K,V> next() { return nextNode(); }
}
abstract class HashIterator {
Node<K,V> next; // next entry to return
Node<K,V> current; // current entry
int expectedModCount; // for fast-fail
int index; // current slot
HashIterator() {
expectedModCount = modCount;
Node<K,V>[] t = table;
current = next = null;
index = 0;
if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Node<K,V> nextNode() {
Node<K,V>[] t;
Node<K,V> e = next;
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
}
return e;
}
public final void remove() {
Node<K,V> p = current;
if (p == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
current = null;
K key = p.key;
removeNode(hash(key), key, null, false, false);
expectedModCount = modCount;
}
}
jdk1.7 VS jdk1.8 HashMap的对比
先说一个结论说明jdk1.7和jdk1.8版本下HashMap实现的区别：
- 在jdk1.7当中HashMap在多线程并发写的场景下会出现死循环，而jdk1.8当中已经没有死循环的问题了。
- jdk1.8当中对于挂链冲突的问题上，会采用红黑树进行优化，也就是在同一个hash桶下Node的数量超过阈值后会自动升级为红黑树，反之就降级为链表。
- 不管在jdk的哪个版本下HashMap都不是线程安全的
jdk1.7 HashMap并发写死锁问题
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
......
// 创建一个新的 Hash Table
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
// 将 Old Hash Table 上的数据迁移到 New Hash Table 上
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
//下面这段代码的意思是：
// 从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
正常Hash过程
正常Hash过程
说明：
- rehash的挂链过程采取的是重新hash然后通过倒挂链的方法挂到新的HashMap当中。
- 因为倒挂链的实现是造成死循环的本因。
并发下的 Rehash
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
......
// 创建一个新的 Hash Table
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
// 将 Old Hash Table 上的数据迁移到 New Hash Table 上
transfer(newTable);
table = newTable;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}
void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
//下面这段代码的意思是：
// 从OldTable里摘一个元素出来，然后放到NewTable中
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
假设有两个线程
do {
Entry<K,V> next = e.next; // 假设线程一执行到这里就被调度挂起了
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
而线程二执行完成了。于是有下面的这个样子。
HashMap并发访问-1
说明：
- 因为 Thread1 的 e 指向了 key(3)，而 next 指向了 key(7)，其在线程二 rehash 后，指向了线程二重组后的链表。
- 在rehash后的线程二当中e指向key(3)，next指向key(7)只是为了指示一下，实际上并没有这种情况存在
- 后续的操作是在线程二rehash后的数组上进行的，注意是在rehash后的数组上进行的
HashMap并发访问-2
说明：
- 线程一被调度回来执行，先是执行 newTalbe[i] = e;然后是 e = next，导致了 e 指向了 key(7)。这里是因为在第一步的时候next已经指向Key(7)
- 而下一次循环的 next = e.next 导致了 next 指向了 key(3)，这里是因为线程二rehash后的HashMap采用倒链插入法所以key(7)的next指向的是key(3)
HashMap并发访问-3
说明：
- 线程一接着工作。把 key(7) 摘下来，放到 newTable[i] 的第一个，然后把 e 和 next 往下移，这里是因为线程二工作在rehash后的HashMap当中
- 这个时候e已经是key(3)， next是null，似乎看到了死循环的形成了
HashMap并发访问-4
说明：
- e.next = newTable[i] 导致 key(3).next 指向了 key(7)
- 此时的 key(7).next 已经指向了 key(3)， 环形链表就这样出现了
参考文章
Java中HashMap关键字transient的疑惑
JDK1.8 HashMap中tableForSize方法解析
HashMap 在高并发下引起的死循环
