HashMap在JDK7與JDK8中的實現過程解析

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HashMap的實現原理

首先有一個每個元素都是鏈表（可能表述不準確）的數組，當添加一個元素（key-value）時，就首先計算元素key的hash值，以此確定插入數組中的位置，但是可能存在同一hash值的元素已經被放在數組同一位置瞭，這時就添加到同一hash值的元素的後面，他們在數組的同一位置，但是形成瞭鏈表，同一各鏈表上的Hash值是相同的，所以說數組存放的是鏈表。而當鏈表長度太長時，鏈表就轉換為紅黑樹，這樣大大提高瞭查找的效率。 當鏈表數組的容量超過初始容量的0.75時，再散列將鏈表數組擴大2倍，把原鏈表數組的搬移到新的數組中

即HashMap的原理圖是：

現在我來分析下JDK7與JDK8中HashMap的實現過程。

JDK7中的HashMap

HashMap底層維護一個數組，數組中的每一項都是一個Entry

transient Entry<K,V>[] table;

我們向 HashMap 中所放置的對象實際上是存儲在該數組當中； 

而Map中的key，value則以Entry的形式存放在數組中

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
        Entry<K,V> next;
        int hash;

而這個Entry應該放在數組的哪一個位置上（這個位置通常稱為位桶或者hash桶，即hash值相同的Entry會放在同一位置，用鏈表相連），是通過key的hashCode來計算的。

final int hash(Object k) {
        int h = 0;
        h ^= k.hashCode();

        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

通過hash計算出來的值將會使用indexFor方法找到它應該所在的table下標：

static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

這個方法其實相當於對table.length取模。

當兩個key通過hashCode計算相同時，則發生瞭hash沖突(碰撞)，HashMap解決hash沖突的方式是用鏈表。

當發生hash沖突時，則將存放在數組中的Entry設置為新值的next（這裡要註意的是，比如A和B都hash後都映射到下標i中，之前已經有A瞭，當map.put(B)時，將B放到下標i中，A則為B的next，所以新值存放在數組中，舊值在新值的鏈表上）

示意圖：

所以當hash沖突很多時，HashMap退化成鏈表。

總結一下map.put後的過程：

當向 HashMap 中 put 一對鍵值時，它會根據 key的 hashCode 值計算出一個位置， 該位置就是此對象準備往數組中存放的位置。 

如果該位置沒有對象存在，就將此對象直接放進數組當中；如果該位置已經有對象存在瞭，則順著此存在的對象的鏈開始尋找(為瞭判斷是否是否值相同，map不允許<key,value>鍵值對重復)， 如果此鏈上有對象的話，再去使用 equals方法進行比較，如果對此鏈上的每個對象的 equals 方法比較都為 false，則將該對象放到數組當中，然後將數組中該位置以前存在的那個對象鏈接到此對象的後面。 

值得註意的是，當key為null時，都放到table[0]中

private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

當size大於threshold時，會發生擴容。 threshold等於capacity*load factor

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);
    }

jdk7中resize，隻有當 size>=threshold並且 table中的那個槽中已經有Entry時，才會發生resize。即有可能雖然size>=threshold，但是必須等到每個槽都至少有一個Entry時，才會擴容。還有註意每次resize都會擴大一倍容量

JDK8中的HashMap

一直到JDK7為止，HashMap的結構都是這麼簡單，基於一個數組以及多個鏈表的實現，hash值沖突的時候，就將對應節點以鏈表的形式存儲。

這樣子的HashMap性能上就抱有一定疑問，如果說成百上千個節點在hash時發生碰撞，存儲一個鏈表中，那麼如果要查找其中一個節點，那就不可避免的花費O(N)的查找時間，這將是多麼大的性能損失。這個問題終於在JDK8中得到瞭解決。再最壞的情況下，鏈表查找的時間復雜度為O(n),而紅黑樹一直是O(logn),這樣會提高HashMap的效率。

JDK7中HashMap采用的是位桶+鏈表的方式，即我們常說的散列鏈表的方式，而JDK8中采用的是位桶+鏈表/紅黑樹（有關紅黑樹請查看紅黑樹）的方式，也是非線程安全的。當某個位桶的鏈表的長度達到某個閥值的時候，這個鏈表就將轉換成紅黑樹。

JDK8中，當同一個hash值的節點數不小於8時，將不再以單鏈表的形式存儲瞭，會被調整成一顆紅黑樹（上圖中null節點沒畫）。這就是JDK7與JDK8中HashMap實現的最大區別。

接下來，我們來看下JDK8中HashMap的源碼實現。

JDK中Entry的名字變成瞭Node，原因是和紅黑樹的實現TreeNode相關聯。

transient Node<K,V>[] table;

當沖突節點數不小於8-1時，轉換成紅黑樹。

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

以put方法在JDK8中有瞭很大的改變

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;
	//如果當前map中無數據，執行resize方法。並且返回n
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
	 //如果要插入的鍵值對要存放的這個位置剛好沒有元素，那麼把他封裝成Node對象，放在這個位置上就完事瞭
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
	//否則的話，說明這上面有元素
        else {
            Node<K,V> e; K k;
	    //如果這個元素的key與要插入的一樣，那麼就替換一下，也完事。
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
	    //1.如果當前節點是TreeNode類型的數據，執行putTreeVal方法
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
		//還是遍歷這條鏈子上的數據，跟jdk7沒什麼區別
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
			//2.完成瞭操作後多做瞭一件事情，判斷，並且可能執行treeifyBin方法
                        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) //true || --
                    e.value = value;
		   //3.
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
	//判斷閾值，決定是否擴容
        if (++size > threshold)
            resize();
	    //4.
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

treeifyBin()就是將鏈表轉換成紅黑樹。

之前的indefFor()方法消失 瞭，直接用(tab.length-1)&hash，所以看到這個，代表的就是數組的下角標。

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

Reference：

1. http://www.tuicool.com/articles/Yruqiye

2. http://wenku.baidu.com/link?url=qRXqFTKcObVZATjznA97yNw8zMdsxNsX20sLAyn40YmUqF43QVf_yIPB97U33qMT36mtDaEzzuBHev5zCzr1jfJ2SZHjufV4LdEVzGHZ2T3

3. https://segmentfault.com/a/1190000003617333

4. http://blog.csdn.net/q291611265/article/details/46797557

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