1. 前言

Hashmap可以说是Java面试必问的,一般的面试题会问:

  • Hashmap有哪些特性?
  • Hashmap底层实现原理(get\put\resize)
  • Hashmap怎么解决hash冲突?
  • Hashmap是线程安全的吗?
  • ...

今天就从源码角度一探究竟。笔者的源码是OpenJDK1.7

2. 构造方法

首先看构造方法的源码

    // 默认初始容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
// 默认负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 数组, 该数据不参与序列化
transient Entry[] table; public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
// 初始容量16,扩容因子0.75,扩容临界值12
threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
// 基础结构为Entry数组
table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
init();
}

由以上源码可知,Hashmap的初始容量默认是16, 底层存储结构是数组(到这里只能看出是数组, 其实还有链表,下边看源码解释)。基本存储单元是Entry,那Entry是什么呢?我们接着看Entry相关源码,

    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next; // 链表后置节点
final int hash; /**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n; // 头插法: newEntry.next=e
key = k;
hash = h;
}
...
}

由Entry源码可知,Entry是链表结构。综上所述,可以得出:

Hashmap底层是基于数组和链表实现的

3. Hashmap中put()过程

我已经将put过程绘制了流程图帮助大家理解

先上put源码

    public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 根据key计算hash
int hash = hash(key.hashCode());
// 计算元素在数组中的位置
int i = indexFor(hash, table.length);
// 遍历链表,如果相同覆盖
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++;
// 头插法插入元素
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}

上图中多次提到头插法,啥是 头插法 呢?接下来看 addEntry 方法

    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 取出原bucket链表
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
// 头插法
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
// 判断是否需要扩容
if (size++ >= threshold)
// 扩容好容量为原来的2倍
resize(2 * table.length);
}

结合Entry类的构造方法,每次插入新元素的时候,将bucket原链表取出,新元素的next指向原链表,这就是 头插法 。为了更加清晰的表示Hashmap存储结构,再绘制一张存储结构图。

4. Hashmap中get()过程

get()逻辑相对比较简单,如图所示

我们来对应下get()源码

    public V get(Object key) {
// 获取key为null的值
if (key == null)
return getForNullKey();
// 根据key获取hash
int hash = hash(key.hashCode());
// 遍历链表,直到找到元素
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.equals(k)))
return e.value;
}
return null;
}

5. Hashmap中resize()过程

只要是新插入元素,即执行addEntry()方法,在插入完成后,都会判断是否需要扩容。从addEntry()方法可知,扩容后的容量为原来的2倍。

    void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
// 新建数组
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
// 数据迁移
transfer(newTable);
// table指向新的数组
table = newTable;
// 新的扩容临界值
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

这里有个transfer()方法没讲,别着急,扩容时线程安全的问题出现在这个方法中,接下来讲解数组复制过程。

6. Hashmap扩容安全问题

大家都知道结果: 多线程扩容有可能会形成环形链表,这里用图给大家模拟下扩容过程。

首先看下单线程扩容的头插法

然后看下多线程可能会出现的问题

以下是源码,你仔细品一品

    void transfer(Entry[] newTable) {
Entry[] src = table;
int newCapacity = newTable.length;
for (int j = 0; j < src.length; j++) {
Entry<K,V> e = src[j];
if (e != null) {
// 释放旧Entry数组的对象引用
src[j] = null;
do {
Entry<K,V> next = e.next;
// 重新根据新的数组长度计算位置(同一个bucket上元素hash相等,所以扩容后必然还在一个链表上)
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
// 头插法(同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置),将newTable[i]的引用赋给了e.next
e.next = newTable[i];
// 将元素放在数组上
newTable[i] = e;
// 访问下一个元素
e = next;
} while (e != null);
}
}
}

7. Hashmap寻找bucket位置

    static int indexFor(int h, int length) {
// 根据hash与数组长度mod运算
return h & (length-1);
}

由源码可知, jdk根据key的hash值和数组长度做mod运算,这里用位运算代替mod。

hash运算值是一个int整形值,在java中int占4个字节,32位,下边通过图示来说明位运算。

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同时,欢迎大家一起交流学习。

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