Java集合之HashMap详解

注：本文源码版本为JDK1.7.0_79
如有理解不到位的地方，欢迎大家多多指正

1.定义

  顾名思义，HashMap就是以键值对(key-value)的方式进行数据存储，并以hash散列的方式进行数据分布。HashMap继承AbstractMap，并实现了Map、Cloneable、Serializable接口。如下所示：

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

2.成员变量

变量名 含义 默认值
size HashMap中数据的个数 0
loadfactor 负载因子，衡量散列表空间的使用程度 0.75f
threshold 表示当HashMap的size大于threshold时会执行resize操作 capacity*loadFactor
modcount 记录map的修改次数，在迭代器中使用，具体见后面分析 0
capacity 容量，即为HashMap中数组的长度,table.length 无直接此变量，数组的默认长度为16

附上源码：

    /**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    /**
     * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
     * by either of the constructors with arguments.
     * MUST be a power of two <= 1<<30.
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    /**
     * An empty table instance to share when the table is not inflated.
     */
    static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
    /**
     * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
     */
    transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;  //Entry类型的数组，hashMap的内部数据结构
    /**
     * The number of key-value mappings contained in this map.
     */
    transient int size;
    /**
     * The next size value at which to resize (capacity * load factor).
     */
    // If table == EMPTY_TABLE then this is the initial capacity at which the
    // table will be created when inflated.
    int threshold;
    /**
     * The load factor for the hash table.
     */
    final float loadFactor; 
    /**
     * The number of times this HashMap has been structurally modfied
     * Structural modifications are those that change the number of mappings in
     * the HashMap or otherwise modify its internal structure (e.g.,
     * rehash).  This field is used to make iterators on Collection-views of
     * the HashMap fail-fast.  (See ConcurrentModificationException).
     */
    transient int modCount;
    // These methods are used when serializing HashSets
    int   capacity()     { return table.length; }
    float loadFactor()   { return loadFactor;   }

3.数据结构

  由上面的源码我们得知，HashMap的内部结构为一个Entry类型的数组，它的数据结构如下图所示：
HashMap数据结构 图片来自网络

Entry数据结构如下：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
        int hash;
        /** 
         * Creates new entry.
         */
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        } 
        ....
}

4.构造函数

HashMap提供了3个构造函数，如下：

方法 释义
HashMap() 无参构造，默认容量(capacity)为16,默认负载因子为0.75f
HashMap(int initialCapacity) 初始化数组长度,默认负载因子为0.75f
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 初始化数组长度和负载因子

注意：调用HashMap的构造函数时，并没有去初始化内部结构table的大小，只是给成员变量赋值了。

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;
        threshold = initialCapacity;
        init();
    }

5.方法解读

5.1 put()方法

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {  //构造函数的时候，并没有去操作table，故第一次put的时候，table就为默认值EMPTY_TABLE
        inflateTable(threshold); //初始化table，初始化的table长度一定时2的幂次。
    }
    if (key == null)             //判断插入的值是否为null，如果为null的化，则调用插入key为null的方法
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);        //获取key的hash值，如果key对应的类类型重写了hashCode()方法，则会调用
    int i = indexFor(hash, table.length);    //获取这个key位于那个hash桶(即数组的坐标)
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {   //如果有存在相同key的，则将其value覆盖。
        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++;   //变更次数加1
    addEntry(hash, key, value, i);    //添加数据到Entry[]中
    return null;
}
  • 构造函数部分，我们讲到调用构造函数的时候，并没有去操作内部的Entry数组。从put方法里，我们看到了是在第一次put数据的时候才去new Entry[] table。
  • 我们可以看到，如果map中存在相同key值的时候，对应的value会被覆盖。由此可得出HashMap可允许有且仅有一个key为null。
  • 不可忽视的一点：获取数组下标：int i = indexFor(hash, table.length);
static int indexFor(int h, int length) {
    // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
    return h & (length-1);
}
解读如下：
查看源码HashMap的底层数组长度总是2的n次方，h&(length - 1)就相当于对length取模，而且速度比直接取模快得多，这是HashMap在速度上的一个优化。综合起来数据分布也相对更均匀。更多了解，请参考：http://www.cnblogs.com/chenssy/p/3521565.html
  • 需要扩展的一点：代码中会调用key.hashCode()和key.equals(k)；类的hashCode()方法和equal()方法，在map的使用中有很重要的作用，所以常说如果重写equal方法的时候，必须重写hashCode方法。大家可以参考https://www.jianshu.com/p/75d9c2c3d0c1

添加元素方法addEntry()

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

  我们先看下createEntry方法，如下。可以看到createEntry就是采用链表的头插法新增一个Entry。

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  //获取当前hash桶中得值
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); //new 一个key-value对应得Entry数组，并将new的Entry的next指向原来hash桶的值，并赋值给hash桶
    size++;  
}

  我们再来看看resize的部分，当map中存储的数据大于等于map设定的阀值，且当前hash桶中也有值时，就会进行扩容。扩容每次都是以2倍的长度扩展的。

void resize(int newCapacity) {  //传入新的数组容量
    Entry[] oldTable = table;  //引用老的数组
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { //判断原数组容量是否已经超过了最大值
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //初始化一个新的数组
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity)); //将原数组的数据移动到新数组中
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); //更新map的存储阀值
}

移动数据方法：transfer()

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

阅读后，我们发现，如果移动后还是在一个hash桶中，顺序相对于之前是颠倒的。

5.2 get()方法

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;
}

get方法比较简单，首先根据key找到对应的hash桶，然后在遍历查找。

5.3 remove()方法

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;
}

remove方法的本质就是，找到hash桶之后，使用单向链表的删除方法。

6.modcount分析

  简言之就是，用来实现“fail-fast”机制的（也就是快速失败）。所谓快速失败就是在并发集合中，其进行迭代操作时，若有其他线程对其进行结构性的修改，这时迭代器会立马感知到，并且立即抛出ConcurrentModificationException异常，而不是等到迭代完成之后才告诉你（你已经出错了）。

7.HashMap存在的问题？

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