OpenJDK1.8.0 源码解析————HashMap的实现(一)

    HashMap是Java Collection Framework 的重要成员之一。HashMap是基于哈希表的 Map 接口的实现,此实现提供所有可选的映射操作,映射是以键值对的形式映射:key-value。key——此映射所维护的键的类型,value——映射值的类型,并且允许使用 null 键和 null 值。而且HashMap不保证映射的顺序。

    简单的介绍一下HashMap,就开始HashMap的源码分析。

    首先简单的介绍一下HashMap里都包含的数据结构。觉得还是先贴一张图比较好,结合图文会比较好理解一些。

  OpenJDK1.8.0 源码解析————HashMap的实现(一)

    现在就可以开说一下这三种数据结构。

    第一个就是Node<K,V>类型的节点。

      备注:static class HashMap.Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>

    第二个就是由Node<K,V>类型组成的一个Node<K,V>[] table数组。

    第三个就是一个TreeNode<K,V>类型的红黑树。

      备注:static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V>
         static class LinkedHashMap.Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V>
         static class HashMap.Node<K,V> implements Map.Entry<K,V>

    现在结合代码看一看这三种数据结构(其实Node和Node[] 是同一类,所以就是两种)。
    

    第一种:Node<K,V>

    看这个之前先看看它实现的父类接口Map.Entry<K,V>的源码(Entry是Map接口里的一个内部接口)
      

      interface Entry<K,V> {
          K getKey();
          V getValue();
          V setValue(V value);
          boolean equals(Object o);
          int hashCode();
      }

    再看Node的源码(Node是HashMap类的一个静态内部类,实现了Map接口里的内部接口Entry)
     

 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        //这四个成员变量就是一个Node节点所包含的四个变量域
        //其中hash的计算方法是由一个hash方法得到的,该方法的是实现就是HashMap里,这里为了看的清楚一些,就写到下面:
        // hash = (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
          final int hash;
          final K key;
          V value;
          Node<K,V> next;
        
    
        //构造方法
        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
          this.hash = hash;
          this.key = key;
          this.value = value;
          this.next = next;
        }
        //拿到该Node 的key
        public final K getKey() { return key; }
        //拿到该Node 的value
        public final V getValue() { return value; }
        //重写toString方法
        public final String toString() { return key + "=" + value; }

        //修改当前Entry对象的value为传进入newvalue,返回值为之前的oldvalue值      

         public final V setValue(V newValue) {      

             V oldValue = value;       

              value = newValue;        

             return oldValue;   

         }       

            /*       

            判断两个Entry是否相等     

            若两个Entry的“key”和“value”都相等,则返回true;否则返回false     

            */      

           public final boolean equals(Object o) {        

                 if (o == this)    

                   return true;       

                 if (o instanceof Map.Entry) {         

                    Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;

                   if (Objects.equals(key, e.getKey()) && Objects.equals(value, e.getValue()))       

                        return true;       

                 }       

                  return false;

          }      

           //重写了equals,因此重新实现hashCode()       

            public final int hashCode() {     

                return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);  

            }   

        }

  

    第二种:TreeNode(这里只附上TreeNode类的成员变量和一个获取树根的方法,其他的省略。因为TreeNode里实现了很多关于红黑树的操作方法,如果全部放到这里不仅看不懂而且显得特别乱)

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent;
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev;
//构造函数
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next){
     super(hash, key, val, next);
} //返回该树的树根
final TreeNode<K,V> root() {
  for (TreeNode<K,V> r = this, p;;){
  if ((p = r.parent) == null) return r; r = p;
     }
   }
//其余部分省略,有兴趣的可以自行查看源代码。 }

    然后在说一下TreeNode构造函数所做的事情。

    先了解一下TreeNode的继承体系:TreeNode继承了LinkedHashMap.Entry
                    LinkedHashMap.Entry继承了HashMap.Node
                    HashMap.Node实现了Map.Entry

    了解这个就能清楚的知道TreeNode的构造函数到底做了什么事情。底下的图显示了TreeNode利用构造初始化的流程。
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    其实最终还是调到了Node的构造,初始化TreeNode了从Node继承而来的四个数据域(int hash,K key,V value,Node<K,V> next)。
  

    接着我们说一下HashMap里几个重要的成员变量和常量(省略了一部分)。
     

     //通过HahMap实现的接口可知,其支持所有映射操作,能被克隆,支持序列化
      public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
            implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {       private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;       //默认Node<K,V> table的初始容量16,2的4次方。
      static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;       //table数组的最大容量为1073 741 824,2的30次方。
      static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;       /*
        默认加载因子
        该值和table的长度的乘积为是否对table进行扩容的标志。
        例如当该值默认为0.75,table的长度为16时,就是说当table填充至 12*0.75 =12 之后,这个table就要进行扩容
      */
      static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;       //哈希表的定义,这个数据结构在前面已经介绍过
      transient Node<K,V>[] table;       /*
        HashMap的大小,即保存的键值对的数量
        当该值大于等于HashMap的阈值时,数组就会扩充
      */
      transient int size;       /*
        HashMap的阈值.
        用于判断是否需要调整HashMap的容量
        该值的计算方法为: 加载因子 * (table.length)
        当table.size>=threshold就会扩容,就是如果hashMap中存放的键值对大于这个阈值,就进行扩容
        如果加载因子没有被分配,默认为0.75
        如果table数组没有被分配,默认为初始容量值(16);
        或若threshold值为0,也表明该值为初始容量值。
      */
      int threshold;       /*
        加载因子
        如果加载因子没有被分配,默认为0.75
      */
      final float loadFactor;

      //当添加到tab[i]位置下的链表长度达到8时将链表转换为红黑树
     static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;         ......
    }

    介绍完数据结构再来说一下我们平时经常写的代码:Map<String,Object> map = new HashMap<String,Object>()

    (这样的方式获得的map对象,调用的是默认无参的构造,实际上还有其他三个有参的构造函数)

    要知道写完这句代码之后到底发生了什么。我们首先就得看一下HashMap构造器(共4个构造器),源码如下

    /*  
        默认无参构     
      构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
  */
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
} //构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
   //初始容量为负数,抛出异常。
   if (initialCapacity < 0)
     throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
  //初始容量大于最大容量,把初始容量定为最大容量。
   if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
     initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;

     //如果加载因子不符合规范,抛出异常
   if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
      throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +loadFactor);
    //经过一些过滤和处理,现在的loadFactor和initialCapacity都为合法的值
    //初始化加载因子
    this.loadFactor = loadFactor;
    /*
      初始化HashMap的阈值
      调用tableSizeFor(initialCapacity)方法
      该方法根据数组的初始容量的大小求出HashMapde的阈值threshold 
    */
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
  }   /*
    第三个构造方法
    构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。
  */
  public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
  }   // 构造一个映射关系与指定 Map 相同的新 HashMap。
  public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
      this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
      putMapEntries(m, false);
  }

    上面提到了根据数组初始容量得出HashMap阈值的一个方法:tableSizeFor(int cap)。该方法的源码如下:

      

      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;
      }

  
      简单的测试了一下这个方法

      

    public class TestHashMap{
        
        static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
        public static void main(String[] args){           System.out.println("---------------------");
          System.out.println(" 第一次测试,cap = 0,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(0));
          System.out.println("---------------------");
          System.out.println(" 第二次测试,cap = 3,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(3));
          System.out.println("---------------------");
          System.out.println(" 第三次测试,cap = 16,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(16));
          System.out.println("---------------------");
          System.out.println(" 第四次测试,cap = 100,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(100));
          System.out.println("---------------------");
          System.out.println(" 第五次测试,cap = 1000,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(1000));
          System.out.println("---------------------");
          System.out.println(" 第六次测试,cap = 10000,返回的阈值threshold = "+tableSizeFor(10000));
          System.out.println("---------------------");         }         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;
        }
      }


   
 输出结果:
    ---------------------

    第一次测试,cap = 0,返回的阈值threshold = 1
    --------------------
    第二次测试,cap = 3,返回的阈值threshold = 4
    ---------------------
    第三次测试,cap = 16,返回的阈值threshold = 16
    ---------------------
    第四次测试,cap = 100,返回的阈值threshold = 128
    ---------------------
    第五次测试,cap = 1000,返回的阈值threshold = 1024
    ---------------------
    第六次测试,cap = 10000,返回的阈值threshold = 16384
    ---------------------

    总之,tableSizeFor方法是根据table数组的容量计算出hashMap可以维护出的键值对。从结果可以看到阈值至少是1,而且是刚好比cap大一点的2的幂。

    至于为什么阈值要做成这样,看了很多文章,都是说为了使hashMap散列均匀。但是实际上tab[i]中i的选择是 hash & lenth-1 是和容量在做按位或。

    因此对这里有一些疑惑。

    到此对HashMap一部分介绍完了。哪里有不对的地方,还望指出。还有就是如果能解答我的疑惑,还请指导,十分感谢 ^_^。

    

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