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关于HashMap你必须了解的知识

2019-07-12  本文已影响0人  Sincerity_

HashMap概述

  HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现(Hashtable跟HashMap很像,唯一的区别是Hashtalbe中的方法是线程安全的,也就是同步的)。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变

HashMap 的数据结构

  在JDK1.6,JDK1.7中,HashMap采用位桶(数组)+链表实现,即使用链表处理冲突,同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多,即hash值相等的元素较多时,通过key值依次查找的效率较低。

  而JDK1.8中,HashMap采用位桶+链表+红黑树实现,当链表长度超过阈值(8)时,将链表转换为红黑树,这样大大减少了查找时间

  1. 散列表(Hash table,也叫哈希表)

    //表,第一次使用时初始化(而非实例化集合时进行初始化),并根据需要调整大小。当分配时,长度总是2的幂。(在某些操作中,我们还允许长度为零,以允许当前不需要的引导机制。)
    transient Node<K,V>[] table;
    
  1. 链表

    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
            final int hash;
            final K key;
            V value;
            Node<K,V> next;
         ……
        }
    
  1. 黑红树

    static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
            TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
            TreeNode<K,V> left;
            TreeNode<K,V> right;
            TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
            boolean red;
            ……
        }
    
  2. 什么情况下转成链表,什么情况转成黑红树

    1. 桶的树化阈值:即 链表转成红黑树的阈值,在存储数据时,当链表长度 > 该值时,则将链表转换成红黑树
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8
  1. 桶的链表还原阈值:即 红黑树转为链表的阈值,当在扩容(resize())时(此时HashMap的数据存储位置会重新计算),在重新计算存储位置后,当原有的红黑树内数量 < 6时,则将 红黑树转换成链表
   static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
  1. 最小树形化容量阈值:即 当哈希表中的容量 > 该值时,才允许树形化链表,否则,若桶内元素太多时,则直接扩容,而不是树形化, 为了避免进行扩容、树形化选择的冲突,这个值不能小于4 * TREEIFY_THRESHOLD
   static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

Hash冲突

描述 : 如果两个不同对象的hashCode相同,这种现象称为hash冲突。

解决办法 :

详细分析

1. HashMap的创建
/********************************************HashMap中重要的常量******************/
// aka 16  默认桶大小为2的4次方
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
//最大容量 2的30次方
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 
//默认的负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 
//阈值最小值=8
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; 
// 最小树形化容量阈值:即 当哈希表中的容量 > 该值时,才允许树形化链表
 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
//阈值 = 负载因子 * 容量(不填容量时默认为16)
int threshold; 
//表示当前HashMap包含的键值对数量
transient int size;
//表示当前HashMap修改次数
transient int modCount:
//构建一个空的HashMap 默认容量为16 加载因子为0.75 默认临界值为16*0.75
public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    }
//传递初始容量
public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
//传递初始容量和负载因子
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;
        //计算得到能容纳最多键值对的个数 默认等于初始值16 
        //但是该方法返回值是的大于输入参数且最近的2的整数次幂的数 如
        this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
    }
    //传入一个map 相当于添加一个节点
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        putMapEntries(m, false);
    }

 final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) { // pre-size
                //下面括号里会算出来一个容量,使得size刚好不大于阈值。
                //但这样会算出小数来,但作为容量就必须向上取整,所以这里要加1
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                //如果小于最大容量,就进行截断;否则就赋值为最大容量
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                //但在算出来的容量t > 阈值(threshold)时,才会用t计算出新容量,
                if (t > threshold)      
                    threshold = tableSizeFor(t);
            }
            //如果当前容量大于下一个需要调整的容量 
            else if (s > threshold)
                    //扩容大小
                resize();
            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }
/**
 * 根据容量参数,返回一个2的n次幂的table长度。
 */
private static final int tableSizeFor(int c) {
    int n = c - 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;
}
//右移一位相当于 n/2^1  n =4  101 | 10 = 111 =十进制 7
2. get()
 public V get(Object key) {
        Node<K, V> e;
   //返回值是指定键映射到的值
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

 final Node<K, V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K, V>[] tab; 
        Node<K, V> first, e;
        int n;
        K k;
        ///如果表不是空的,并且要查找索引处有值,就判断位于第一个的key是否是要查找的key
        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))))
              //如果是,就直接返回
                return first;
          //如果不是就判断链表是否是红黑二叉树,如果是,就从树中取值
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K, V>) first).getTreeNode(hash, key);
              //如果不是树,就遍历链表
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

实现思路:

  1. 判断表或key是否是null,如果是直接返回null
  2. 判断索引处第一个key与传入key是否相等,如果相等直接返回
  3. 如果不相等,判断链表是否是红黑二叉树,如果是,直接从树中取值
  4. 如果不是树,就遍历链表查找
3. put()
//这里需要注意的是 如果值已经存在了 这里要替换成新的值
public V put(K key, V value) 
        //参数 4 false表示不改变现有的值
        //参数5 false 表示创建模式
        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; //数组(或者桶)
        Node<K, V> p;//节点
        int n, i;
        //判断Hashmap是否为空,如果没有数据就先进行数组的扩充
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            //获取扩充后的数组长度
            n = (tab = resize()).length;
        //  如果计算出来的索引位置之前没有放过数据,就直接放入 根据hash值和数组长度进行取模运算后,得到链表的首节点
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        //处理Hash冲突,即计算出来的位置之前有插入数据
        else {
            Node<K, V> e;
            K k;//key
            //1. p原有的节点 和当前传过来的hash值比对,k来接收原来索引位置的hash值
            if (p.hash == hash &&
                // key的地址或key的equals()只要有一个相等就认为key重复了
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                //替换原有的节点
                e = p;
            //2. 如果原来的节点是红黑树
            else if (p instanceof TreeNode)
                //黑红树的节点替换
                e = ((TreeNode<K, V>) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                //如果二个节点的hash值相同但是key值不相同,则会进行下列处理
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    //把e节点指向hashmap的第一个节点 p在这里的值是(p = tab[i = (n - 1) & hash]) 
                    if ((e = p.next) == null) {
                        //把当前hashmap的下一个节点赋值给当前节点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //如果添加新的节点后 源数组的长度大于等于8  binCount从0开始的
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 
                            //链表的树化
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    //判断索引每个元素的key是否与要插入的key相同,如果相同就直接覆盖
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
          //如果e不是null,说明没有迭代到最后就跳出了循环,说明链表中有相同的key,
          //因此只需要将value覆盖,并将oldValue返回即可
            if (e != null) { 
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                //空方法留给LinkedHashMap来实现
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
         //如果当前HashMap的容量超过threshold则进行扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        //空方法留给LinkedHashMap来实现
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

思路如下

  1. table[]是否为空.判断table[i]处是否插入过值
  2. 判断链表长度是否大于等于8,如果大于就转换为红黑二叉树链表的树化,并插入树中 向二叉树中添加hash值相同的节点
  3. 判断key是否和原有key相同,如果相同就覆盖原有key的value,并返回原有value确定hash值
  4. 如果key不相同,就插入一个key,记录结构变化一次 扩充机制
1. 链表的树化
 final void treeifyBin(Node<K, V>[] tab, int hash) {
        int n, index;
        Node<K, V> e;
        //链表的长度检测 MIN_TREEIFY_CAPACITY=64 
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            //长度不够就扩充
            resize();
        //根据hash值和数组长度进行取模运算后,得到链表的首节点
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            //首节点,尾结点
            TreeNode<K, V> hd = null, tl = null;
            do {
                // 将该节点转换为树节
                TreeNode<K, V> p = replacementTreeNode(e, null);
                // 如果尾节点为空,说明还没有根节点
                if (tl == null)
                    //首节点指向P
                    hd = p;
                else {
                    //首节点的前一个节点指树的向尾结点
                    p.prev = tl;
                    //树尾结点的下一个节点指向p
                    tl.next = p;
                }
                //把当前节点设置为尾结点或者说根节点
                tl = p;
                //继续遍历链表
            } while ((e = e.next) != null);
            //到目前为止 也只是把Node对象转换成了TreeNode对象,把单向链表转换成了双向链表,把转换后的双向链表,替换原来位置上的单向链表
            if ((tab[index] = hd) != null)
            //treeify方法是TreeNode类的一个实例方法,通过TreeNode对象调用,实现该对象打头的链表转换为树结构。
                hd.treeify(tab);
        }
       //链表树化
    TreeNode<K, V> replacementTreeNode(Node<K, V> p, Node<K, V> next) {
        return new TreeNode<>(p.hash, p.key, p.value, next);
    }
2. 向二叉树中添加节点
 final TreeNode<K, V> putTreeVal(HashMap<K, V> map, Node<K, V>[] tab,
                                        int h, K k, V v) {
            Class<?> kc = null;
            //标识是否已经遍历过一次树,未必是从根节点遍历的,但是遍历路径上一定已经包含了后续需要比对的所有节点
            boolean searched = false;
            //父节点不为空那么查找根节点,为空那么自身就是根节点
            TreeNode<K, V> root = (parent != null) ? root() : this;
            //从根节点开始遍历,没有终止条件,只能从内部退出
            for (TreeNode<K, V> p = root; ; ) {
                int dir, ph;
                K pk;
                // 如果当前节点hash 大于 指定key的hash值
                if ((ph = p.hash) > h)
                    dir = -1;// 要添加的元素应该放置在当前节点的左侧
                else if (ph < h)
                    dir = 1;//要添加的元素应该放置在当前节点的右侧
                //如果当前节点的键对象和指定key对象相同
                else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
                    return p;
                // 走到这一步说明 当前节点的hash值和指定key的hash值是相等的,但是equals不等
                else if ((kc == null &&
                        (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                        (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
                    //指定key没有实现comparable接口或者实现了comparable接口并且和当前节点的键对象比较之后相等(仅限第一次循环)      
             /*
             * searched 标识是否已经对比过当前节点的左右子节点了
             * 如果还没有遍历过,那么就递归遍历对比,看是否能够得到那个键对象equals相等的的节点
             * 如果得到了键的equals相等的的节点就返回
             * 如果还是没有键的equals相等的节点,那说明应该创建一个新节点了
             */
                    if (!searched) {
                        TreeNode<K, V> q, ch;
                        searched = true;// 标识已经遍历过一次了
                         /* 红黑树也是二叉树,所以只要沿着左右两侧遍历寻找就可以了
                          * 这是个短路运算,如果先从左侧就已经找到了,右侧就不需要遍历了
                          * find 方法内部还会有递归调用。参见:find方法解析
                          */
                        if (((ch = p.left) != null &&
                                (q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
                                ((ch = p.right) != null &&
                                        (q = ch.find(h, k, kc)) != null))
                            return q;
                    }
                    //走到这里就说明,遍历了所有子节点也没有找到和当前键equals相等的节点
                    dir = tieBreakOrder(k, pk);
                }

                TreeNode<K, V> xp = p;
                if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                    // 如果恰好要添加的方向上的子节点为空,此时节点p已经指向了这个空的子节点
                    Node<K, V> xpn = xp.next;// 获取当前节点的next节点
                    TreeNode<K, V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);// 创建一个新的树节点
                    if (dir <= 0)
                        xp.left = x;// 左子树指向到这个新的树节点
                    else
                        xp.right = x;
                    xp.next = x;// 链表中的next节点指向到这个新的树节点
                    x.parent = x.prev = xp;// 这个新的树节点的父节点、前节点均设置为 当前的树节点
                    if (xpn != null)// 如果原来的next节点不为空
                        ((TreeNode<K, V>) xpn).prev = x;// 那么原来的next节点的前节点指向到新的树节点
                    moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));// 重新平衡,以及新的根节点置顶
                    return null;// 返回空,意味着产生了一个新节点
                }
            }
        }
3 .确定哈希桶数据索引位置
static final int hash(Object key) {
        int h;
            // h = key.hashCode() 为第一步 取hashCode值
        // h ^ (h >>> 16)  为第二步 高位参与运算
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }
//方法二:
  static int indexFor(int h, int length) {  //jdk1.7的源码,jdk1.8没有这个方法,但是实现原理一样的
      return h & (length-1);  //第三步 取模运算
 }
3.扩容机制

HashMap的扩容分为三种情况

 //put方法中
final Node<K, V>[] resize() {
        Node<K, V>[] oldTab = table;//table为null
        int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
        int oldThr = threshold; //默认构造器下为0
        int newCap, newThr = 0;
        if (oldCap > 0) { //之前有扩容过
          //当前table容量大于最大值得时候  返回当前table
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                //容量为整形最大值
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return oldTab;
              //table的容量乘以2,threshold的值也乘以2  
            } else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                    oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // double threshold
          //使用带有初始容量的构造器时,table容量为初始化得到的threshold
        } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
             //默认构造器下进行扩容
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //16
            newThr = (int) (DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); //12
        }
  //使用带有初始容量的构造器在此处进行扩容
        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; //新的数组赋值给table
            //对新扩容后的table进行赋值
        if (oldTab != null) {
          ////通过原容量遍历原数组
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K, V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                  //判断node上是否有链表
                    if (e.next == null)
                 //无链表,确定元素存放位置,
                 //扩容前的元素地址为 (oldCap - 1) & e.hash ,所以这里的新的地址只有两种可能,
                 //一是地址不变,二是变为 老位置+oldCap
                        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;
    }

LinkedHashMap


概述

LinkedHashMap通过维护一个运行于所有条目的双向链表,并允许使用null值和null键。LinkedHashMap保证了元素迭代的顺序该迭代顺序可以是插入顺序或者是访问顺序

LinkedHashMap可以认为是HashMap+LinkedList,即它既使用HashMap操作数据结构,又使用LinkedList维护插入元素的先后顺序

LinkedHashMap的数据结构

static class LinkedHashMapEntry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
 //双链表的头和尾
 LinkedHashMapEntry<K,V> before, after;
 LinkedHashMapEntry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
 //具体实现就是HashMap的Node节点
 super(hash, key, value, next);
 }
 }

看看源码吧

基本构造

 //双链表的头部
 transient LinkedHashMapEntry<K,V> head;
 //尾部
 transient LinkedHashMapEntry<K,V> tail;
 //排序模式 false 表示插入顺序 true 访问顺序
 final boolean accessOrder;
 //默认无参构造
 public LinkedHashMap() {
 //调用父类的无参构造 
 super();
 //排序模式设置为 插入顺序 从源码可以知道它的构造函数中accessOrder 一直为false即插入顺序
 accessOrder = false;
 }
 /* ... 省略其他构造函数 如果想了解其他知识请自行对照源码阅读 本文只是提供阅读源码的思路 */
}

get(key)

 public V get(Object key) {
        //定义节点
        Node<K,V> e;
        //通过key获取key的hash值对应的Node节点e并且e等于null的情况下返回null 详情HashMap的get()
        //注意这里返回的是Node节点这个Node节点是HashMap的数据结构 并不是linkedHashmap存储的LinkedHashMapEntry节点
        if ((e = getNode(hash(key), key)) == null)
            return null;
        //初始化中赋值 accessOrder = false;
        if (accessOrder)
            //这个方法是hashmap的,但是hashmap是空方法 具体实现就是在linkedHashmap中 
            afterNodeAccess(e);
        return e.value;
    }
//这个方法的只要作用就是将顺序颠倒过来 或者说倒序排列
 void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { 
        //定义最后一个节点
        LinkedHashMapEntry<K,V> last;
        //accessOrder 插入顺序 并且把尾结点赋值给last 判断当前节点e不等于最后一个节点
        if (accessOrder && (last = tail) != e) {
            //把当前Node节点转换成linkedHashmap存储的LinkedHashMapEntry节点 逻辑如下
            LinkedHashMapEntry<K,V> p =(LinkedHashMapEntry<K,V>)e, 
            b = p.before, a = p.after;
            //P的尾结点置空 这个很重要 参照下图去理解,也可以看看put的过程回过来看这个流程
            p.after = null;
            if (b == null)
                head = a;
            else
                b.after = a;
            if (a != null)
                a.before = b;
            else
                last = b;
            if (last == null)
                head = p;
            else {
                p.before = last;
                last.after = p;
            }
            tail = p;
            ++modCount;
        }
    }
afterNodeAccess方法逻辑图.png

put()

 void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
 LinkedHashMapEntry<K,V> first;
 //evict=true 成立 
 //(first = head) != null首节点不等于空
 //removeEldestEntry(first) removeEldestEntry方法返回true值指定插入元素时移除最老的元素removeEldestEntry  这个方法适合做LRU算法 后续
 if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
 K key = first.key;
 //移除首节点
 removeNode(hash(key), key, null, false, true);
 }
 }
​```



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