Note:文章的内容基于JDK1.7进行分析。1.8做的改动文章末尾进行讲解。

一、先来熟悉一下我们常用的HashMap:

1、概述

HashMap基于Map接口实现,元素以键值对的方式存储,并且允许使用null 建和null 值, 因为key不允许重复,因此只能有一个键为null,另外HashMap不能保证放入元素的顺序,它是无序的,和放入的顺序并不能相同。HashMap是线程不安全的。

2、继承关系

public class HashMap<K,V>extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

3、基本属性 

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始化大小 16 
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     //负载因子0.75
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};         //初始化的默认数组
transient int size;     //HashMap中元素的数量
int threshold;          //判断是否需要调整HashMap的容量
Note:HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务,所以如果能估算Map的容量,最好给它一个默认初始值,避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的,多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。  

二、常被问到的HashMap和Hashtable的区别

1、线程安全

两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全。

Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合。

Note:Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理。

2、针对null的不同

HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key
虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事。

Note:HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上。

3、继承结构

HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类。

4、初始容量与扩容

HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75。

HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1。

5、两者计算hash的方法不同

Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸。 

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

static int hash(int h) {
        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }
 
 static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);

三、HashMap的数据存储结构

1、HashMap由数组和链表来实现对数据的存储

HashMap采用Entry数组来存储key-value对,每一个键值对组成了一个Entry实体,Entry类实际上是一个单向的链表结构,它具有Next指针,可以连接下一个Entry实体,以此来解决Hash冲突的问题。

数组存储区间是连续的,占用内存严重,故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小,为O(1);数组的特点是:寻址容易,插入和删除困难;

链表存储区间离散,占用内存比较宽松,故空间复杂度很小,但时间复杂度很大,达O(N)。链表的特点是:寻址困难,插入和删除容易。

 



从上图我们可以发现数据结构由数组+链表组成,一个长度为16的数组中,每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key.hashCode())%len获得,也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中,12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。

HashMap里面实现一个静态内部类Entry,其重要的属性有 hash,key,value,next。

HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性,作用是指向下一个Entry。打个比方, 第一个键值对A进来,通过计算其key的hash得到的index=0,记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B,通过计算其index也等于0,现在怎么办?HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C;这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止,HashMap的大致实现,我们应该已经清楚了。

public V put(K key, V value) {
  if (key == null)
    return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中
  int hash = hash(key.hashCode());
  int i = indexFor(hash, table.length);
  //遍历链表
  for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
    Object k;
    //如果key在链表中已存在,则替换为新value
    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;
}

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); //参数e, 是Entry.next
  //如果size超过threshold,则扩充table大小。再散列
  if (size++ >= threshold)
  resize(2 * table.length);
}

四、重要方法深度解析

1、构造方法

HashMap()    //无参构造方法
HashMap(int initialCapacity)  //指定初始容量的构造方法 
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) //指定初始容量和负载因子
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m)  //指定集合,转化为HashMap

HashMap提供了四个构造方法,构造方法中 ,依靠第三个方法来执行的,但是前三个方法都没有进行数组的初始化操作,即使调用了构造方法此时存放HaspMap中数组元素的table表长度依旧为0 。在第四个构造方法中调用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作,并将m中的元素添加到HashMap中。 

2、添加方法

public V put(K key, V value) {
  if (table == EMPTY_TABLE) { //是否初始化
    inflateTable(threshold);
  }
  if (key == null) //放置在0号位置
    return putForNullKey(value);
  int hash = hash(key); //计算hash值
  int i = indexFor(hash, table.length);  //计算在Entry[]中的存储位置
  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); //添加到Map中
  return null;
}
在该方法中,添加键值对时,首先进行table是否初始化的判断,如果没有进行初始化(分配空间,Entry[]数组的长度)。然后进行key是否为null的判断,如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置,判断该位置上是否已有元素,如果已经有元素存在,则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。判断key是否存在,如果key已经存在,则用新的value值,替换点旧的value值,并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中,程序继续向下执行。将key-vlaue, 生成Entry实体,添加到HashMap中的Entry[]数组中。

3、addEntry()

/*
 * hash hash值
 * key 键值
 * value value值
 * bucketIndex Entry[]数组中的存储索引
 */ 
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
    resize(2 * table.length); //扩容操作,将数据元素重新计算位置后放入newTable中,链表的顺序与之前的顺序相反
    hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
    bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
  }

  createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
  Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
  table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
  size++;
}
添加到方法的具体操作,在添加之前先进行容量的判断,如果当前容量达到了阈值,并且需要存储到Entry[]数组中,先进性扩容操作,空充的容量为table长度的2倍。重新计算hash值,和数组存储的位置,扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。在1.8之前,新插入的元素都是放在了链表的头部位置,但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁,所以1.8之后,新插入的元素都放在了链表的尾部。

4、获取方法:get

public V get(Object key) {
  if (key == null)
      //返回table[0] 的value值
      return getForNullKey();
  Entry<K,V> entry = getEntry(key);

  return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
  if (size == 0) {
      return null;
  }

  int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
  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 != null && key.equals(k))))
      return e;
   }
  return null;
}

 在get方法中,首先计算hash值,然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置,得到该位置的单链表,遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry,返回entry.value值。

5、删除方法

public V remove(Object key) {
  Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
  return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
  if (size == 0) {
      return null;
  }
  int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
  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;
}

 删除操作,先计算指定key的hash值,然后计算出table中的存储位置,判断当前位置是否Entry实体存在,如果没有直接返回,若当前位置有Entry实体存在,则开始遍历列表。定义了三个Entry引用,分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中,首先判断pre 和 e 是否相等,若相等表明,table的当前位置只有一个元素,直接将table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的连接关系,判断e的key是否和指定的key 相等,若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

6、containsKey

public boolean containsKey(Object key) {
  return getEntry(key) != null;
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
  int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k))))
        return e;
    }
  return null;
}

containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值。

7、containsValue

public boolean containsValue(Object value) {
  if (value == null)
      return containsNullValue();

  Entry[] tab = table;
    for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
      for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
        if (value.equals(e.value))
          return true;
  return false;
}

containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value,由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别,你别指望它会像containsKey那么高效。

五、JDK 1.8的 改变

1、HashMap采用数组+链表+红黑树实现。

在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了一些改变,但是基本思想还是没有变得,只是在一些地方做了优化,下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式,变化为数组+链表+红黑树的存储方式,当链表长度超过阈值(8)时,将链表转换为红黑树。在性能上进一步得到提升。


2、put方法简单解析:

public V put(K key, V value) {
  //调用putVal()方法完成
  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;
  //判断table是否初始化,否则初始化操作
  if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;
  //计算存储的索引位置,如果没有元素,直接赋值
  if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  else {
    Node<K, V> e;
    K k;
    //节点若已经存在,执行赋值操作
    if (p.hash == hash &&
        ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      e = p;
      //判断链表是否是红黑树
    else if (p instanceof TreeNode)
      //红黑树对象操作
      e = ((TreeNode<K, V>) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
    else {
      //为链表,
      for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        if ((e = p.next) == null) {
          p.next = newNode(hash, key, value, null);
          //链表长度8,将链表转化为红黑树存储
          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
            treeifyBin(tab, hash);
          break;
        }
        //key存在,直接覆盖
        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;
    }
  }
  //记录修改次数
  ++modCount;
  //判断是否需要扩容
  if (++size > threshold)
    resize();
  //空操作
  afterNodeInsertion(evict);
  return null;
}


 如果存在key节点,返回旧值,如果不存在则返回Null。