一、導(dǎo)入語

HashMap是我們最常見也是最長使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，它的功能強(qiáng)大、用處廣泛。而且也是面試常見的考查知識點(diǎn)。常見問題可能有HashMap存儲結(jié)構(gòu)是什么樣的？HashMap如何放入鍵值對、如何獲取鍵值對應(yīng)的值以及如何刪除一個(gè)鍵值對。今天我們就來看看HashMap底層的實(shí)現(xiàn)原理。下面我們就開始進(jìn)入正題，分析一下hashmap源碼的實(shí)現(xiàn)原理。

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二、HashMap構(gòu)造方法以及存儲結(jié)構(gòu)

public HashMap() {    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];    init();
}

HashMap的構(gòu)造方法有好幾個(gè)，在這里我們就不一一介紹，只說一下我們最常見的HashMap無參構(gòu)造方法。上面的構(gòu)造方法中，有幾個(gè)變量需要我們這里說明一下：

1. loadFactor:加載因子，默認(rèn)值為0.75；

2. threshold:threshold是一個(gè)閾值，初始值為默認(rèn)為16*0.75。當(dāng)hashmap中存放鍵值對數(shù)量大于該值時(shí)，表示hashmap容量大小需要擴(kuò)充，一般容量會翻倍。

3. table:table其實(shí)是一個(gè)Entry類型的數(shù)組，在hashmap中我們利用數(shù)組和鏈表來解決hash沖突，這里的table數(shù)組用于存放沖突鏈表的頭結(jié)點(diǎn)。

另外在HahsMap中，我們通過數(shù)組加鏈表的方式來存儲Entry節(jié)點(diǎn)（Entry數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于存儲鍵值對）。這里所謂的數(shù)組即是上面提到的table，它是一個(gè)Entry數(shù)組，table對象中節(jié)點(diǎn)初始化值均為null，當(dāng)我們新插入的節(jié)點(diǎn)第一次散列到該位置時(shí)，會將節(jié)點(diǎn)插入到table中對應(yīng)位置。如果后續(xù)存在散列位置相同的節(jié)點(diǎn)，會以鏈表的方式解決hash沖突。示意圖如下：

三、put()方法解析

put方法是我們最常用方法，我們利用該方法將鍵值對放入HashMap集合中，那么HashMap到底是什么樣的結(jié)構(gòu)，put()方法又做了什么呢？我們下面就來看看put()方法的具體實(shí)現(xiàn)。

public V put(K key, V value) {    if (key == null)        return putForNullKey(value);    int hash = hash(key.hashCode());    int i = indexFor(hash, table.length);    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;    addEntry(hash, key, value, i);    return null;
}private V putForNullKey(V value) {    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;    addEntry(0, null, value, 0);    return null;
}

if (key == null)        return putForNullKey(value);

如果當(dāng)前傳入的key值為null，執(zhí)行putForNullKey()方法;當(dāng)key值為null時(shí)，hash值為0，將其保存到以table[0]為開頭的鏈表中去。遍歷鏈表，如果存在某節(jié)點(diǎn)的key值為null，則用新value直接將其替換。如果未找到key值為null的節(jié)點(diǎn)，調(diào)用addEntry()方法插入一個(gè)key為null的新節(jié)點(diǎn)。addEntry方法我們會在后文中介紹。

int hash = hash(key.hashCode());int i = indexFor(hash, table.length);

為什么這里還要對key的hashCode值再調(diào)用一次哈希算法呢？簡單來說就是為了讓傳遞進(jìn)來的key散落位置可以更加均勻，具體原因就不在本文中介紹了，網(wǎng)上有很多資料可供借鑒。
接著調(diào)用indexFor方法計(jì)算當(dāng)前key值散落在table中的位置，其實(shí)就是key%table.length

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
    Object k;    if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
        V oldValue = e.value;
        e.value = value;
        e.recordAccess(this);        return oldValue;
    }
}

遍歷以table[i]為頭結(jié)點(diǎn)的鏈表，查找是否已經(jīng)有相同的key值的節(jié)點(diǎn)存在于鏈表中。判斷條件為if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))。這個(gè)判斷條件十分重要，我們來仔細(xì)分析下。首先是e.hash == hash：之前我們已經(jīng)計(jì)算出了當(dāng)前待處理節(jié)點(diǎn)的hash值，并保存在變量hash中，在此我們需要比較當(dāng)前鏈表遍歷節(jié)點(diǎn)key的hash值(e.hash)和hash是否相等。如果我們?nèi)タ匆幌耡ddEntry()方法我們會發(fā)現(xiàn)，Entry節(jié)點(diǎn)的存儲位置實(shí)際上是由key的hash值來決定的。如果key的hash相同，那么他們的存儲位置也相同。(k = e.key) == key || key.equals(k))。先簡單的說一下”==”和”equals”的意義，”==”是引用一致性判斷，而equals是內(nèi)容一致性判斷。這里的意思也就是說如果兩個(gè)key對象指向的是同一個(gè)對象，或者他們就是同一個(gè)對象，則返回true。總結(jié)一下，如果hash值相同，則key值相同或是同一個(gè)對象的引用，則表示hashmap中存在以key為鍵值的Entry節(jié)點(diǎn)。
如果判斷if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))判斷條件返回為true，則用新值替換老值。

如果沒有找到相同的key值，則調(diào)用addEntry()方法新增一個(gè)指定key和value的Entry節(jié)點(diǎn)。

四、addEntry()方法解析

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);    if (size++ >= threshold)        resize(2 * table.length);
}

接下來繼續(xù)看addEntry()方法，假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為插入到table[bucketIndex]位置的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

在Entry類的構(gòu)造方法中有這樣一句代碼:

next = e;

即當(dāng)前新建的entry節(jié)點(diǎn)將指向Entry構(gòu)造方法傳遞過來的Entry節(jié)點(diǎn)e，此時(shí)e保存的值為頭結(jié)點(diǎn)的值，也就是null。該節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建完之后，又被賦值給table[bucketIndex]，相當(dāng)于鏈表的頭結(jié)點(diǎn)了保存了最新插入的節(jié)點(diǎn)。如下圖所示我們在table[i]位置插入了Entry

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);

1. 此時(shí)table[buckertIndex]中存放的節(jié)點(diǎn)為

2. 新建一個(gè)Entry節(jié)點(diǎn),key=”key2”,value=”value2”，同時(shí)該entry節(jié)點(diǎn)next值指向

另外在addEntry方法中有如下兩句代碼

if (size++ >= threshold)   resize(2 * table.length);

size的值為當(dāng)前hashMap中存儲的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，threshold是一個(gè)閾值。如果hashMap中存儲的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于threshold，表示我們需要對當(dāng)前hashMap進(jìn)行擴(kuò)容了。每一次擴(kuò)充容量為之前容量的2倍。我們來看一下resize()方法。

void resize(int newCapacity) {    Entry[] oldTable = table;    int oldCapacity = oldTable.length;    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;        return;
    }    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];    transfer(newTable);
    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

void transfer(Entry[] newTable) {    Entry[] src = table;    int newCapacity = newTable.length;
    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);
        }
    }
}

關(guān)鍵代碼是這一段

Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];transfer(newTable);
table = newTable;

如果resize()之前Entry數(shù)組的大小為A,那么newTable數(shù)組的大小為2A
transfer(newTable)方法用于將原先entry[]數(shù)組中的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到newTable數(shù)組中，下面我們來看下transfer()方法具體干了什么。

1. 將原來的table數(shù)組賦值給src數(shù)組

2. 獲取newTable數(shù)組的長度，這里為table數(shù)組長度的2倍

3. 循環(huán)遍歷src數(shù)組，執(zhí)行下面的操作

a. 取src[j]節(jié)點(diǎn)的值賦值給e

b. 如果e節(jié)點(diǎn)不為null，將src[j]的值置為null

我們來舉兩個(gè)簡單的例子說明一下tranfer到底干了什么：
當(dāng)src[j]不為空時(shí)，比方說src[j]中保存的Entry節(jié)點(diǎn)key=”key2”,value=”value2”，src[j]指向的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)key=”key1”,value=”value1”，如下圖所示：

1. 最開始的時(shí)候newTable[]中并沒有存放任何Entry節(jié)點(diǎn)，只是單純的進(jìn)行了初始化。結(jié)合上面代碼，我們可以看到此時(shí)e = entry2節(jié)點(diǎn)，next節(jié)點(diǎn)值為entry1

2. 利用indexFor重新計(jì)算出e節(jié)點(diǎn)的散列位置。e節(jié)點(diǎn)的next指向被初始化后的newTable[i]節(jié)點(diǎn)，同時(shí)newTabel[i]的值也被賦值為e節(jié)點(diǎn)

3. 最后執(zhí)行e = next;此時(shí)e等于entry1
   形成節(jié)點(diǎn)的示意圖如下：
   
   接著執(zhí)行

4. next = e.next，此時(shí)e的next節(jié)點(diǎn)為null，next =null；

5. 利用indexFor計(jì)算出新的散列位置，比如說新的散列位置為j，此時(shí)以newTable[j]為頭節(jié)點(diǎn)的鏈表中已經(jīng)存在了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。如下圖所示：
   
   我們將待處理的節(jié)點(diǎn)entry節(jié)點(diǎn)插入后會變成什么樣呢？
   
   簡單的來說resize方法就是去逐個(gè)遍歷table[i]后面的Entry節(jié)點(diǎn)鏈表，利用indexFor方法重新結(jié)算節(jié)點(diǎn)的散落位置，并將其插入到以newTable[]為頭結(jié)點(diǎn)的鏈表中去。

五、get()方法解析

說完了put我們再來看一下get方法

public V get(Object key) {    if (key == null)        return getForNullKey();    int hash = hash(key.hashCode());    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
         e != null;
         e = e.next) {
        Object k;        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))            return e.value;
    }    return null;
}private V getForNullKey() {    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {        if (e.key == null)            return e.value;
    }    return null;
}

理解了put方法時(shí)如何往hashmap中放入鍵值對的，那么get()方法也就很好理解了。我們來具體看看get()方法的實(shí)現(xiàn)。

1. 如果key值為null，執(zhí)行g(shù)etForNullKey()方法。當(dāng)key值為null時(shí)，新的鍵值對會放到table[0]處，所以我們先去遍歷table[0]位置的節(jié)點(diǎn)鏈表，查看是否有key值為null的節(jié)點(diǎn)。如果有的話，直接返回value。如果找不到key為null的節(jié)點(diǎn)，返回null。

2. 如果key值不為null，利用indexFor方法找到當(dāng)前key所處的table[i]位置，遍歷table[i]位置的節(jié)點(diǎn)鏈表。根據(jù)e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))來判斷是否有相同key值的節(jié)點(diǎn)。如果當(dāng)前位置鏈表中存在key值相同的Entry節(jié)點(diǎn)，返回Entry節(jié)點(diǎn)保存的value。如果找不到key值匹配的Entry節(jié)點(diǎn)，返回null。

六、remove()方法解析

public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);    return (e == null ? null : e.value);
}final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());    int i = indexFor(hash, table.length);
    Entry<K,V> prev = table[i];
    Entry<K,V> e = prev;    while (e != null) {
        Entry<K,V> next = e.next;
        Object k;        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
            modCount++;
            size--;            if (prev == e)
                table[i] = next;            else
                prev.next = next;
            e.recordRemoval(this);            return e;
        }
        prev = e;
        e = next;
    }    return e;
}

別看remove方法這么長，其實(shí)它的邏輯很簡單

1. 通過hash()和IndexFor()方法找到當(dāng)前Entry節(jié)點(diǎn)的散列位置i，prev節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)（初始值為table[i]節(jié)點(diǎn)），e節(jié)點(diǎn)表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

2. 比較待刪除節(jié)點(diǎn)的key值和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的key值是否相符。如果找不到相符的節(jié)點(diǎn)，返回null；
   如果有相符的節(jié)點(diǎn)，且為頭結(jié)點(diǎn)，e節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)將被賦值給table[i]；
   如果有相匹配的節(jié)點(diǎn)，并且不為頭結(jié)點(diǎn)，則prev節(jié)點(diǎn)不再指向e，而是指向e.next，也即是prev.next = e.next;相當(dāng)于一個(gè)斷鏈操作；

七、HashMap遍歷

如果讓你寫一個(gè)hashmap的遍歷代碼，估計(jì)大部分人寫出下面這段代碼?？墒荋ashMap的遍歷過程到底是怎么樣的，為什么我們每次取值的時(shí)候都使用iter.next()來取值的呢？下面我們就來看看HashMap的遍歷實(shí)現(xiàn)。

    Itreator iter = map.entrySet().itreator();    while(iter.hashNext()){
    Map.entry<k,v> entry = (Map.entry<k,v>) iter.next();
}

HashMap類中有一個(gè)私有類EntrySet，它繼承自AbstractSet類。EntrySet類中有一個(gè)iterator()方法，也就是我們上面在遍歷hashMap所調(diào)用的iterator()方法，它會返回一個(gè)Iterator對象。
我們來看看iterator方法：

public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {    return newEntryIterator();
}

iterator()方法中調(diào)用了newEntryIterator()方法，接著進(jìn)入newEntryIterator()方法看看。

    Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {    return new EntryIterator();
}

newEntryIterator方法又創(chuàng)建了一個(gè)EntryIterator對象并返回。這個(gè)EntryIterator很關(guān)鍵，我們來具體看看這個(gè)類。

private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {    public Map.Entry<K,V> next() {        return nextEntry();
    }
}

EntryIterator類繼承自HashItertor類，而且HashIterator類只有一個(gè)方法next()。既然EntryIterator繼承自HashIterator類，那么EntryIterator到底繼承了父類的哪些對象，默認(rèn)實(shí)現(xiàn)了父類的哪些方法呢？我們再看看HashIterator類。

private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
    Entry<K,V> next;    // next entry to return
    int expectedModCount;   // For fast-fail
    int index;      // current slot
    Entry<K,V> current; // current entry

    HashIterator() {
        expectedModCount = modCount;        if (size > 0) { // advance to first entry
            Entry[] t = table;            while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                ;
        }
    }
}

HashIterator類中有四個(gè)屬性，它們的用處代碼注釋已經(jīng)簡單明了的介紹了。值得注意的是HashIterator()提供了一個(gè)無參的構(gòu)造方法，然而他并沒有對所有的屬性進(jìn)行初始化，在這里我們需要明確的是index的值將會被賦為0。同時(shí)后面還有一大段，它干了什么呢？

1. 首先是Entry[] t = table；將當(dāng)前存儲頭結(jié)點(diǎn)的Entry[]數(shù)組table賦值給t；

2. 接著執(zhí)行一個(gè)while循環(huán)

      while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)

   當(dāng)index大于table的長度，或者當(dāng)前t[index]位置保存的節(jié)點(diǎn)不為空時(shí)，將會結(jié)束while循環(huán)。也就是說該循環(huán)目的是為了找出table[]數(shù)組中第一個(gè)存儲了Entry對象的位置，并用index變量記錄該位置。
   我們再總結(jié)一下！當(dāng)Itreator iter = map.entrySet().itreator();這句代碼結(jié)束之后，我們獲得了一個(gè)Iterator對象，這個(gè)對象保存了當(dāng)前hashMap的modCount值，index用于標(biāo)識table[]數(shù)組中第一個(gè)不為null的位置，同時(shí)next的初始值也等同于table[index]的值。

while(iter.hashNext())

當(dāng)前對象實(shí)際上為HashIterator對象，HashIterator對象的hasNext()方法十分的簡單

public final boolean hasNext() {    return next != null;
}

Map.entry<k,v> entry = (Map.entry<k,v>) iter.next();

再梳理一下邏輯，EntryIterator 有一個(gè)方法next

public Map.Entry<K,V> next() {    return nextEntry();
}final Entry<K,V> nextEntry() {    if (modCount != expectedModCount)        throw new ConcurrentModificationException();
    Entry<K,V> e = next;    if (e == null)        throw new NoSuchElementException();    if ((next = e.next) == null) {
        Entry[] t = table;        while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
            ;
    }
    current = e;    return e;
}

如果modCount值不等于expectedModCount，表示在當(dāng)前遍歷過程中，HashMap可能被其他線程修改過，我們需要拋出ConcurrentModificationException異常，這也就是我們常說fast-fail。同時(shí)新建一個(gè)Entry節(jié)點(diǎn)e，賦值為next(第一次進(jìn)來是next指向的就是table[]數(shù)組中第一個(gè)不為null的頭結(jié)點(diǎn))。
如果說當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為null，相當(dāng)于遍歷到了當(dāng)前table[i]所指向鏈表的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)我們應(yīng)當(dāng)去尋找table數(shù)組中下一個(gè)頭結(jié)點(diǎn)不為null的位置。
執(zhí)行while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) 找到下一個(gè)不為null的頭結(jié)點(diǎn)，并保存到next節(jié)點(diǎn)中。
返回當(dāng)前節(jié)點(diǎn)e

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