Java8中HashMap有必要來看下探討下了

Java8中HashMap有必要來看下探討下了

HashMap是Java開發當中使用得非常多的一種數據結構，因為其可以快速的定位到需要查找到數據，其最快的速度可以達到O(1)，最差的時候也可以達到O(n)。本文以Java8中的HashMap做為分析原型，因為不同的JDK版本中的HashMap，可能存在著底層實現上的不一樣。

HashMap是通過數組存儲所有的數據，每個元素所存放數組的下標，是根據該存儲元素的key的Hash值與該數組的長度減去1做與運算，如下所示：

index?=?(length_of_array?-?1)?&?hash_of_the_key;

數組中存放元素的數據結構使用了Node和TreeNode兩種數據結構，在單個Hash值對應的存儲元素小于8個時，默認值為Node的單向鏈表形式存儲，當單個Hash值存儲的元素大于8個時，其會使用TreeNode的數據結構存儲。

因為在單個Hash值對應的元素小于等于8個時，其查詢時間最差為O(8)，但是當單個Hash值對應的元素大于8個時，再通過Node的單向鏈表的方式進行查詢，速度上就會變得更慢了；這個時候HashMap就會將Node的普通節點轉為TreeNode（紅黑樹）進行存儲，這是由于TreeNode占用的空間大小約為常規節點的兩倍，但是其查詢速度可以得到保證，這個是通過空間換時間了。當TreeNode中包括的元素變得比較少時，為了存儲空間的占用，也會轉換為Node節點單向鏈表的方式實現，它們之間可以互相轉換的。

Node：

static?class?Node<K,V>?implements?Map.Entry<K,V>?{
?final?int?hash;
?final?K?key;
?V?value;?Node<K,V>?next;?Node(int?hash,?K?key,?V?value,?Node<K,V>?next)?{
?this.hash?=?hash;
?this.key?=?key;
?this.value?=?value;
?this.next?=?next;
?}
?......
}

可以看到每個Node中包括了4個屬性，分別為：

hash值：當前Node的Hash值
key：當前Node的keyvalue:當前Node的valuenext:表示指向下一個Node的指針，相同hash值的Node，通過next進行遍歷查找

TreeNode：

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;?TreeNode(int?hash,?K?key,?V?val,?Node<K,V>?next)?{?super(hash,?key,?val,?next);
?}
?......
}

可以看到TreeNode使用的是紅黑樹（Red Black Tree）的數據結構，紅黑樹是一種自平衡二叉查找樹，在進行插入和刪除操作時通過特定操作保持二叉查找樹的平衡，從而獲得較高的查找性能，即使在最壞情況運行時間也是非常良好的，并且在實踐中是非常高效的，它可以在O(log n)時間內做查找、插入和刪除等操作，這里的n 是樹中元素的數目。

以下是一張關于HashMap存儲結構的示意圖：

寫入數據（一切皆在注釋中）

其方法如下：

//寫入數據public?V?put(K?key,?V?value)?{?//首先根據hash方法，獲取對應key的hash值，計算方法見后面
?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;?//判斷用戶存放元素的數組是否為空
?if?((tab?=?table)?==?null?||?(n?=?tab.length)?==?0)?//為空則進行初使化，并將初使化后的數組賦值給變量tab，數組的長值賦值給變量n
?n?=?(tab?=?resize()).length;?//判斷根據hash值與數組長度減1求與得到的下標，
?//從數組中獲取元素并將其賦值給變量p(后續該變量p可以繼續使用)，并判斷該元素是否存在
?if?((p?=?tab[i?=?(n?-?1)?&?hash])?==?null)?//如果不存在則創建一個新的節點，并將其放到數組對應的下標中
?tab[i]?=?newNode(hash,?key,?value,?null);?else?{//根據數組的下標取到了元素，并且該元素p且不為空，下面要判斷p元素的類型是Node還是TreeNode
?Node<K,V>?e;?K?k;?//判斷該數組對應下標取到的第一值是不是與正在存入值的hash值相同、
?//key相等（可能是對象，也可能是字符串），如果相等，則將取第一個值賦值給變量e
?if?(p.hash?==?hash?&&
?((k?=?p.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))
?e?=?p;?//判斷取的對象是不是TreeNode，如果是則執行TreeNode的put方法
?else?if?(p?instanceof?TreeNode)
?e?=?((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this,?tab,?hash,?key,?value);?else?{//是普通的Node節點，
?//根據next屬性對元素p執行單向鏈表的遍歷
?for?(int?binCount?=?0;?;?++binCount)?{?//如果被遍歷的元素最后的next為空，表示后面沒有節點了，則將新節點與當前節點的next屬性建立關系
?if?((e?=?p.next)?==?null)?{?//做為當前節點的后面的一個節點
?p.next?=?newNode(hash,?key,?value,?null);?//判斷當前節點的單向鏈接的數量（8個）是不是已經達到了需要將其轉換為TreeNode了
?if?(binCount?>=?TREEIFY_THRESHOLD?-?1)?//?-1?for?1st
?//如果是則將當前數組下標對應的元素轉換為TreeNode
?treeifyBin(tab,?hash);?break;
?}?//判斷待插入的元素的hash值與key是否與單向鏈表中的某個元素的hash值與key是相同的，如果是則退出
?if?(e.hash?==?hash?&&
?((k?=?e.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))?break;
?p?=?e;
?}
?}?//判斷是否找到了與待插入元素的hash值與key值都相同的元素
?if?(e?!=?null)?{?//?existing?mapping?for?key
?V?oldValue?=?e.value;?//判斷是否要將舊值替換為新值
?if?(!onlyIfAbsent?||?oldValue?==?null)?//滿足于未指定不替換或舊值為空的情況，執行將舊值替換為新值
?e.value?=?value;
?afterNodeAccess(e);?return?oldValue;
?}
?}
?++modCount;?if?(++size?>?threshold)
?resize();
?afterNodeInsertion(evict);?return?null;
}

Hash值的計算方法：

//?計算指定key的hash值，原理是將key的hash?code與hash?code無符號向右移16位的值，執行異或運算。//?在Java中整型為4個字節32位，無符號向右移16位，表示將高16位移到低16位上，然后再執行異或運行，也//?就是將hash?code的高16位與低16位進行異或運行。//?小于等于65535的數，其高16位全部都為0，因而將小于等于65535的值向右無符號移16位，則該數就變成了//?32位都是0，由于任何數與0進行異或都等于本身，因而hash?code小于等于65535的key，其得到的hash值//?就等于其本身的hash?code。static?final?int?hash(Object?key)?{?int?h;?return?(key?==?null)???0?:?(h?=?key.hashCode())?^?(h?>>>?16);
}

計算邏輯如下圖所示：

讀取數據（一切皆在注釋中）

?public?V?get(Object?key)?{
?Node<K,V>?e;?//根據Key獲取元素
?if?((e?=?getNode(hash(key),?key))?==?null)?return?null;?if?(accessOrder)
?afterNodeAccess(e);?return?e.value;
?}?final?Node<K,V>?getNode(int?hash,?Object?key)?{
?Node<K,V>[]?tab;?Node<K,V>?first,?e;?int?n;?K?k;?//if語句的第一個判斷條件
?if?((tab?=?table)?!=?null?//將數組賦值給變量tab，將判斷是否為null
?&&?(n?=?tab.length)?>?0?//將數組的長值賦值給變量n
?&&?(first?=?tab[(n?-?1)?&?hash])?!=?null)?{//判斷根據hash和數組長度減1的與運算，計算出來的的數組下標的第一個元素是不是為空
?//判斷第一個元素是否要找的元素，大部份情況下只要hash值太集中，或者元素不是很多，第一個元素往往都是需要的最終元素
?if?(first.hash?==?hash?&&?//?always?check?first?node
?((k?=?first.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))?//第一個元素就是要找的元素，因為hash值和key都相等，直接返回
?return?first;?if?((e?=?first.next)?!=?null)?{//如果第一元素不是要找到的元，則判斷其next指向是否還有元素
?//有元素，判斷其是否是TreeNode
?if?(first?instanceof?TreeNode)?//是TreeNode則根據TreeNode的方式獲取數據
?return?((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash,?key);
?do?{//是Node單向鏈表，則通過next循環匹配，找到就退出，否則直到匹配完最后一個元素才退出
?if?(e.hash?==?hash?&&
?((k?=?e.key)?==?key?||?(key?!=?null?&&?key.equals(k))))?return?e;
?}?while?((e?=?e.next)?!=?null);
?}
?}?//沒有找到則返回null
?return?null;
?}

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