HashMap底层结构和源码分析

环境准备

HashMap基本介绍

HashMap是【key-value】对的方式来存储数据的；
key不能重复，但是值可以重复，允许使用null键和null值；
如果添加相同的key，则会覆盖原来的key-value，等同于修改（key不会替换，value会替换）；
与HashSet一样，不保证映射的顺序，因为底层是以hash表的方式来存储的；
HashMap没有实现同步，因此是线程不安全的；

HashMap底层结构

扩容机制

HashMap底层维护了Node类型的数组table，默认为null；
当创建对象时，将加载因子loadfactor初始化为0.75；
当添加key-value时，通过key的哈希值得到在table的索引。然后判断该索引是否有元素，如果没有元素直接添加。如果该索引处有元素，继续判断该元素的key是否和准备加入的key相等，如果相等，则直接替换val；如果不相等需要判断是树结构还是链表结构，做出不同处理。如果添加时发现容量不够，则需要扩容；
第1次添加，则需要扩容table容量为16，临界值threshold为12；
以后再扩容，则需要扩容table容量为原来的2倍，临界值为原来的2倍，即24，依此类推；
在Java8中，如果一条链表的元素个数超过TREEIFY_THRESHOLD(默认是8)，并且table的大小 >= MIN_TREEIFY_CAPACITY（默认64），就会进化树化（红黑树）；

源码分析

@SuppressWarnings("all")
public class HashMapSource {
  public static void main(String[] args) {
    HashMap map = new HashMap();
    map.put("java", 10);
    map.put("php", 10);
    map.put("java", 20);
  }
}

1.执行构造器 new HashMap();

初始化加载因子 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR 0.75

Node<K,V>[] table = null

2.执行put，先调用hash(key)

public V put(K key, V value) {
    return putVal(// hash(key), key, value, false, true);
}
// 计算 Kay 的 hash 值
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

3.执行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;
    // 如果底层的table数组为null，或者length == 0 ，就扩容到16
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 取出hash值对应的table的索引位置的Node，如果为null，就直接把加入的K-V创建newNode放入
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 如果table的索引位置的key的hash和新加入的hash相同，并且 对象相同或者equals()比较后相同
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 已经树化
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            // 死循环比较，直到插入链表后停止循环 
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 如果整个链表，没有和他相同，就加到该链表的最后
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 加入后，判断当前链表的个数，是否已经到达8个，到8个进行 treeifyBin 会判断是扩容还是树化
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                // 判断是否有相同的，如果有就break 走更新
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        // 更新操作
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value; // 替换  
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    // 每增加newNode就++
    ++modCount;
    // 到了临界值后就扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

treeifyBin

转成红黑树

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
    int n, index; Node<K,V> e;
    // 如果table == null , 或者大小没有到 64，不树化，先扩容数组！
    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
        resize();
    // 树化
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
        do {
            TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
            if (tl == null)
                hd = p;
            else {
                p.prev = tl;
                tl.next = p;
            }
            tl = p;
        } while ((e = e.next) != null);
        if ((tab[index] = hd) != null)
            hd.treeify(tab);
    }
}

测试扩容

1.put第1个元素时进行第一次扩容，size=16；

2.put第9个元素时进行第二次扩容，size=32，链表已经9个元素了；

3.put第10个元素时进行第三次扩容，size=64，此时已经满足树化条件了；

4.put第11个元素时进行树化，HashMap$Node => HashMap$TreeNode

import java.util.HashMap;

/** @author Strive */
@SuppressWarnings("all")
public class HashMapSource2 {
  public static void main(String[] args) {
    HashMap map = new HashMap();

    for (int i = 1; i <= 12; i++) {
      map.put(new A(i), "hello");
    }

    System.out.println("hashMap=" + map);
  }
}

class A {
  private int num;

  public A(int num) {
    this.num = num;
  }

  @Override
  public int hashCode() {
    return 100;
  }

  @Override
  public String toString() {
    return "\nA{" + "num=" + num + '}';
  }
}