JDK源码分析（5）之 HashMap 相关

HashMap作为我们最常用的数据类型，当然有必要了解一下他内部是实现细节。相比于 JDK7 在JDK8 中引入了红黑树以及hash计算等方面的优化，使得 JDK8 中的HashMap效率要高于以往的所有版本，本文会详细介绍相关的优化，但是主要还是写 JDK8 的源码。

一、整体结构

1. 类定义

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

可以看到HashMap是完全基于Map接口实现的，其中AbstractMap是Map接口的骨架实现，提供了Map接口的最小实现。
HashMap看名字也能猜到，他是基于哈希表实现的（数组+链表+红黑树）：

2. 构造函数和成员变量

public HashMap(int initialCapacity)
public HashMap()
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

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;
  this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

HashMap一共有四个构造函数，其主要作用就是初始化loadFactor和threshold两个参数：

• threshold：扩容的阈值，当放入的键值对大于这个阈值的时候，就会发生扩容；
• loadFactor：负载系数，用于控制阈值的大小，即threshold = table.length * loadFactor；默认情况下负载系数等于0.75，当它值越大时：哈希桶空余的位置越少，空间利用率越高，同时哈希冲突也就越严重，效率也就越低；相反它值越小时：空间利用率越低，效率越高；而0.75是对于空间和效率的一个平衡，通常情况下不建议修改；

但是对于上面构造函数当中this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);，这里的阈值并没有乘以负载系数，是因为在构造函数当中哈希桶table[]还没有初始化，在往里put数据的时候才会初始化，而tableSizeFor是为了得到大于等于initialCapacity的最小的2的幂；

transient Node<K,V>[] table;            // 哈希桶
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; // 映射关系Set视图
transient int size;                     // 键值对的数量
transient int modCount;                 // 结构修改次数，用于实现fail-fast机制

哈希桶的结构如下：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  final int hash;       // 用于寻址，避免重复计算
  final K key;
  V value;
  Node<K,V> next;
  ...
  public final int hashCode() {
    return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
  }
}

其中Node<K,V> next还有一个TreeNode子类用于实现红黑树，需要注意的是这里的hashCode()所计算的hash值只用于在遍历的时候获取hash值，并非寻址所用hash；

二、Hash表

既然是Hash表，那么最重要的肯定是寻址了，在HashMap中采用的是除留余数法，即table[hash % length]，但是在现代CPU中求余是最慢的操作，所以人们想到一种巧妙的方法来优化它，即length为2的指数幂时，hash % length = hash & (length-1)，所以在构造函数中需要使用tableSizeFor(int cap)来调整初始容量；

/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 */
static final int tableSizeFor(int cap) {
  int n = cap - 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;
}

首先这里要明确：

• 2的幂的二进制是，1后面全是0
• 有效位都是1的二进制加1，就可以得到2的幂

以33为例，如图：

因为int是4个字节32位，所以最多只需要将高位的16位与低位的16位做或运算就可以得到2的幂，而int n = cap - 1;是为了避免cap本身就是2的幂的情况；这个算是真是厉害，看了很久才看明白，实在汗颜。

**计算 hash **

static final int hash(Object key) {
  int h;
  return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

这里重新计算hash是因为在hash & (length-1)计算下标的时候，实际只有hash的低位参与的运算容易产生hash冲突，所以用异或是高位的16位也参与运算，以减小hash冲突，要理解这里首先要明白，

• ＆ 操作之后只会保留下都是1的有效位
• length-1（2的n次方-1）实际上就是n和1
• ＆ 操作之后hash所保留下来的也只有低位的n个有效位，所以实际只有hash的低位参与了运算

具体如图所示：

三、重要方法讲解

对于Map而言最重要的当然是Get和Put等操作了，所以下面将介绍与之相关的操作；

1. put方法

public V put(K key, V value) {
  return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

/**
 * Implements Map.put and related methods * * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @param value the value to put
 * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
 * @param evict if false, the table is in creation mode.
 * @return previous value, or null if none
 */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
  // 如果没有初始化哈希桶，就使用resize初始化
  if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;
  // 如果hash对应的哈希槽是空的，就直接放入
  if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
  else {
    Node<K,V> e; K k;
    // 如果已经存在key，就替换旧值
    if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
      e = p;
    // 如果已经是树节点，就用putTreeVal遍历树赋值
    else if (p instanceof TreeNode)
      e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
    else {
      // 遍历链表
      for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        // 遍历到最后一个节点也没有找到，就新增一个节点
        if ((e = p.next) == null) {
          p.next = newNode(hash, key, value, null);
          // 如果链表长度大于8，则转换为红黑树
          if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
            treeifyBin(tab, hash);
          break;
        }
        // 找到key对应的节点则跳出遍历
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          break;
        p = e;
      }
    }
    // e是最后指向的节点，如果不为空，说明已经存在key，则替换旧的value
    if (e != null) { // existing mapping for key
      V oldValue = e.value;
      if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
        e.value = value;
      afterNodeAccess(e);
      return oldValue;
    }
  }
  // 新增节点时结构改变modCount加1
  ++modCount;
  if (++size > threshold)
    resize();
  afterNodeInsertion(evict);
  return null;
}

具体过程如图所示：

2. resize方法

final Node<K,V>[] resize() {
  Node<K,V>[] oldTab = table;
  int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
  int oldThr = threshold;
  int newCap, newThr = 0;
  if (oldCap > 0) {
    // 如果hash桶已经完成初始化，并且已达最大容量，则直接返回
    if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
      threshold = Integer.MAX_VALUE;
      return oldTab;
    }
    // 如果扩大2倍没有超过最大容量，则扩大两倍
    else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
      newThr = oldThr << 1; // double threshold
  }
  // 如果threshold已经初始化，则初始化容量为threshold
  else if (oldThr > 0)      // initial capacity was placed in threshold
    newCap = oldThr;
  // 如果threshold和哈希桶都没有初始化，则使用默认值
  else {                    // zero initial threshold signifies using defaults
    newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
    newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
  }
  // 重新计算threshold
  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;
  if (oldTab != null) {
    for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
      Node<K,V> e;
      if ((e = oldTab[j]) != null) {
        oldTab[j] = null;
        // 如果只有一个节点，则直接重新放置节点
        if (e.next == null)
          newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
        // 如果是树节点，则将红黑树拆分后，重新放置
        else if (e instanceof TreeNode)
          ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
        // 将链表拆分为原位置和高位置两条链表
        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;
            // 节点重新放置后在原位置
            if ((e.hash & oldCap) == 0) {
              if (loTail == null)
                loHead = e;
              else
                loTail.next = e;
              loTail = e;
            }
            // 节点重新放置后位置+oldCap
            else {
              if (hiTail == null)
                hiHead = e;
              else
                hiTail.next = e;
              hiTail = e;
            }
          } while ((e = next) != null);
          // 放置低位置链表
          if (loTail != null) {
            loTail.next = null;
            newTab[j] = loHead;
          }
          // 放置高位置链表
          if (hiTail != null) {
            hiTail.next = null;
            newTab[j + oldCap] = hiHead;
          }
        }
      }
    }
  }
  return newTab
}

上面的扩容过程需要注意的是，因为哈希桶长度总是2的幂，所以在扩大两倍之后原来的节点只可能在原位置或者原位置+oldCap，具体判断是通过(e.hash & oldCap) == 0实现的；

• 之前将了 ＆ 操作只保留了都是1的有效位
• oldCap 是2的n次方，实际也就是在n+1的位置为1，其余地方为0
• 因为扩容是扩大2倍，实际上也就是在hash上取了 n+1位，那么就只需要判断多取的第n+1位是否为0

如图所示：

3. get方法

public V get(Object key) {
  Node<K,V> e;
  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;
  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))))
      return first;
    if ((e = first.next) != null) {
      if (first instanceof TreeNode)
        return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
      do {
        if (e.hash == hash &&
          ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          return e;
      } while ((e = e.next) != null);
    }
  }
  return null;
}

相较于其他方法get方法就要简单很多了，只是用hash取到对应的hash槽，在依次遍历即可。

4. clone方法

public Object clone() {
  HashMap<K,V> result;
  try {
    result = (HashMap<K,V>)super.clone();
  } catch (CloneNotSupportedException e) {
    // this shouldn't happen, since we are Cloneable
    throw new InternalError(e);
  }
  result.reinitialize();
  result.putMapEntries(this, false);
  return result;
}

对于clone方法这里有一个需要注意的地方，result.putMapEntries(this, false)，这里在put节点的时候是用的this，所以这只是浅复制，会影响原map，所以在使用的时候需要注意一下；

至于其他方法还有很多，但大致思路都是一致的，大家可以在看一下源码。

四、HashMap不同版本对比

1. hash均匀的时候使用get

Number Of Records	Java 5	Java 6	Java 7	Java 8
10,000	4 ms	3 ms	4 ms	2 ms
100,000	7 ms	6 ms	8 ms	4 ms
1,000,000	99 ms	15 ms	14 ms	13 ms

2. hash不均匀的时候使用get

Number Of Records	Java 5	Java 6	Java 7	Java 8
10,000	197 ms	154 ms	132 ms	15 ms
100,000	30346 ms	18967 ms	19131 ms	177 ms
1,000,000	3716886 ms	2518356 ms	2902987 ms	1226 ms
10,000,000	OOM	OOM	OOM	5775 ms

3. hash均匀的时候使用put

Number Of Records	Java 5	Java 6	Java 7	Java 8
10,000	17 ms	12 ms	13 ms	10 ms
100,000	45 ms	31 ms	34 ms	46 ms
1,000,000	384 ms	72 ms	66 ms	82 ms
10,000,000	4731 ms	944 ms	1024 ms	99 ms

4. hash不均匀的时候使用put

Number Of Records	Java 5	Java 6	Java 7	Java 8
10,000	211 ms	153 ms	162 ms	10 ms
100,000	29759 ms	17981 ms	17653 ms	93 ms
1,000,000	3527633 ms	2509506 ms	2902987 ms	333 ms
10,000,000	OOM	OOM	OOM	3970 ms

从以上对比可以看到 JDK8 的 HashMap 无论 hash 是否均匀效率都要好得多，这里面hash算法的改良功不可没，并且因为红黑树的引入使得它在hash不均匀甚至在所有key的hash都相同的情况，任然表现良好；
另外这里我数据我是摘至 Performance Improvement for HashMap in Java 8，里面还有更详细的图表，大家有兴趣可以看一下；

总结

1. 扩容需要重排所有节点特别损耗性能，所以估算map大小并给定一个合理的负载系数，就显得尤为重要了。
2. HashMap 是线程不安全的。
3. 虽然 JDK8 中引入了红黑树，将极端hash的情况影响降到了最小，但是从上面的对比还是可以看到，一个好的hash对性能的影响仍然十分重大，所以写一个好的hashCode()也非常重要。

参考

https://tech.meituan.com/java_hashmap.html
https://blog.csdn.net/fan2012huan/article/details/51097331
https://www.nagarro.com/en/blog/post/24/performance-improvement-for-hashmap-in-java-8