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对比HashMap在Java8和Java7的源码实现

达芬奇密码2018-08-08 10:57

本文主要内容

1，HashMap 的原理简单介绍
2，结合源码在Java7中是如何解决hash冲突的以及优缺点，结合源码。
3，在Java8中如何解决hash冲突，balance tree相关源码介绍。

HashMap的原理介绍

此乃老生常谈，不作仔细解说。一句话概括之：HashMap是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

Java 7 中HashMap的源码分析

首先是HashMap的构造函数代码块1中，根据初始化的Capacity与loadFactor（加载因子）初始化HashMap.

//代码块1
 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();
    }

Java7中对于的put方法实现相对比较简单，首先根据 key1 的key值计算hash值，再根据该hash值与table的length确定该key所在的index,如果当前位置的Entry不为null，则在该Entry链中遍历，如果找到hash值和key值都相同，则将值value覆盖，返回oldValue；如果当前位置的Entry为null，则直接addEntry。

代码块2
public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        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++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

//addEntry方法中会检查当前table是否需要resize
 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length); //当前map中的size 如果大于threshole的阈值，则将resize将table的length扩大2倍。
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

Java7 中resize（）方法的实现比较简单，将OldTable的长度扩展，并且将oldTable中的Entry根据rehash的标记重新计算hash值和index移动到newTable中去。代码如代码块3中所示，

//代码块3 --JDK7中HashMap.resize()方法
void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

    /**
     * 将当前table的Entry转移到新的table中
     */
    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;
            }
        }
    }

HashMap性能的有两个参数：初始容量(initialCapacity) 和加载因子(loadFactor)。容量是哈希表中桶的数量，初始容量只是哈希表在创建时的容量。加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。根据源码分析可以看出：在Java7 中 HashMap的entry是按照index索引存储的，遇到hash冲突的时候采用拉链法解决冲突，将冲突的key和value插入到链表list中。然而这种解决方法会有一个缺点，假如key值都冲突，HashMap会退化成一个链表，get的复杂度会变成O(n)。在Java8中为了优化该最坏情况下的性能，采用了平衡树来存放这些hash冲突的键值对，性能由此可以提升至O(logn)。

代码块4 -- JDK8中HashMap中常量定义
 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 是否将list转换成tree的阈值
 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 在resize操作中，决定是否untreeify的阈值
 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // 决定是否转换成tree的最小容量
 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // default的加载因子

在Java 8 HashMap的put方法实现如代码块5所示，

代码块5 --JDK8 HashMap.put方法
 public V put(K key, V value) {
        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;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length; //table为空的时候，n为table的长度
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // (n - 1) & hash 与Java7中indexFor方法的实现相同，若i位置上的值为空，则新建一个Node，table[i]指向该Node。
        else {
            // 若i位置上的值不为空，判断当前位置上的Node p 是否与要插入的key的hash和key相同
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;//相同则覆盖之
            else if (p instanceof TreeNode)
            // 不同，且当前位置上的的node p已经是TreeNode的实例，则再该树上插入新的node。
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
            // 在i位置上的链表中找到p.next为null的位置，binCount计算出当前链表的长度，如果继续将冲突的节点插入到该链表中，会使链表的长度大于tree化的阈值，则将链表转换成tree。
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

再看下resize方法，由于需要考虑hash冲突解决时采用的可能是list 也可能是balance tree的方式，因此resize方法相比JDK7中复杂了一些,

 代码块6 -- JDK8的resize方法
 inal 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) {
            if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;//如果超过最大容量，无法再扩充table
                return oldTab;
            }
            else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                     oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                newThr = oldThr << 1; // threshold门槛扩大至2倍
        }
        else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
            newCap = oldThr;
        else {               // zero initial threshold signifies using defaults
            newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
            newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
        }
        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];// 创建容量为newCap的newTab，并将oldTab中的Node迁移过来，这里需要考虑链表和tree两种情况。
        table = newTab;
        if (oldTab != null) {
            for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                Node<K,V> e;
                if ((e = oldTab[j]) != null) {
                    oldTab[j] = null;
                    if (e.next == null)
                        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                    else if (e instanceof TreeNode)
                        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); 
                        // split方法会将树分割为lower 和upper tree两个树，
如果子树的节点数小于了UNTREEIFY_THRESHOLD阈值，则将树untreeify，将节点都存放在newTab中。
                    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;
    }

再看一下tree的treeifyBin方法和putTreeVal方法的实现，底层采用了红黑树的方法。

 // 代码块7 
     //MIN_TREEIFY_CAPACITY 的值为64，若当前table的length不够，则resize（）
     final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
    }
// putVal 的tree版本 
    final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
                                       int h, K k, V v) {
            Class<?> kc = null;
            boolean searched = false;
            TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this;
            for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
                int dir, ph; K pk;
                if ((ph = p.hash) > h)
                    dir = -1;
                else if (ph < h)
                    dir = 1;
                else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
                    return p;
                else if ((kc == null &&
                          (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                         (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
                    if (!searched) {
                        TreeNode<K,V> q, ch;
                        searched = true;
                        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;
                    }
                    dir = tieBreakOrder(k, pk);
                }
                TreeNode<K,V> xp = p;
                if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                    Node<K,V> xpn = xp.next;
                    TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);
                    if (dir <= 0)
                        xp.left = x;
                    else
                        xp.right = x;
                    xp.next = x;
                    x.parent = x.prev = xp;
                    if (xpn != null)
                        ((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x;
                    moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));
                    return null;
                }
            }
        }