HashMap

基本概述

HashMap，基于哈希表实现，继承了AbstractMap并且实现了Map接口。

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public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> 
    implements Map<K,V>，Cloneable, Serializable{
    //...
    //负载因子，默认大小是0.75
    final float loadFactor;
    //用于记录HashMap所能容忍的键值对数量的临界值
    int threadhold;
    //记录HashMap实际存在的键值对的数量
    transient int size;
    //记录HashMap内部结构发生变化的次数
    transient int modCount;
    //..
}

  • threshold,用于确定在哈希表中触发扩容操作的阈值。也就是说，当实际存储的键值对数量超过了threshold时，HashMap将触发扩容操作，重新调整内部的桶的大小

  • loadFactor,是一个比例值，表示哈希表在多满的状态下会触发扩容，默认0.75
    $$
    threshold=initialCapacity*loadFactor
    $$

JDK1.8之前HashMap由数组+链表组成的，数组是HashMap的主体，链表则是主要为了解决Hash冲突（两个对象调用的hashCode方法计算的哈希码值一致导致计算的数组索引值相同）而存在的（“拉链法”）

JDK1.8之后再解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为8）时，会首先调用treeifyBin()方法。这个方法会根据HashMap数组来决定是否转换为红黑树。只有当数组长度大于或者等于64的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是执行resize()方法对数组扩容。

Put方法

JDK1.8

HashMap只提供了put用于添加元素，putVal方法只是给put方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用

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

putVal流程

  1. 如果定位到的数组位置没有元素就直接插入

  2. 如果定位到的数组位置有元素，要和插入元素的key进行比较：

    1. 如果key相同，就直接覆盖
    2. 不相同判断p是否是一个树节点，如果是就调用上面的方法将元素插入树中，如果不是就尾插法插入
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final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // table未初始化或者长度为0，进行扩容
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中(此时，这个结点是放在数组中)
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 桶中已经存在元素（处理hash冲突）
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        //快速判断第一个节点table[i]的key是否与插入的key一样，若相同就直接使用插入的值p替换掉旧的值e。
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
        // 判断插入的是否是红黑树节点
        else if (p instanceof TreeNode)
            // 放入树中
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 不是红黑树节点则说明为链表结点
        else {
            // 在链表最末插入结点
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                // 到达链表的尾部
                if ((e = p.next) == null) {
                    // 在尾部插入新结点
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    // 结点数量达到阈值(默认为 8 )，执行 treeifyBin 方法
                    // 这个方法会根据 HashMap 数组来决定是否转换为红黑树。
                    // 只有当数组长度大于或者等于 64 的情况下，才会执行转换红黑树操作，以减少搜索时间。否则，就是只是对数组扩容。
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    // 跳出循环
                    break;
                }
                // 判断链表中结点的key值与插入的元素的key值是否相等
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    // 相等，跳出循环
                    break;
                // 用于遍历桶中的链表，与前面的e = p.next组合，可以遍历链表
                p = e;
            }
        }
        // 表示在桶中找到key值、hash值与插入元素相等的结点
        if (e != null) {
            // 记录e的value
            V oldValue = e.value;
            // onlyIfAbsent为false或者旧值为null
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                //用新值替换旧值
                e.value = value;
            // 访问后回调
            afterNodeAccess(e);
            // 返回旧值
            return oldValue;
        }
    }
    // 结构性修改
    ++modCount;
    // 实际大小大于阈值则扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入后回调
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

JDK1.7，put方法

  1. 如果定位到数组位置没有元素就直接插入
  2. 有元素，遍历链表依次比较，如果相同则覆盖，不同采用头插法进行覆盖
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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) { // 先遍历
        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);  // 再插入
    return null;
}

扩容

  • HashMap的默认容量大小是16.当实际存储的键值对数量超过了threshold时，HashMap将触发扩容操作，重新调整内部的桶数组大小，以保持哈希表的性能
  • HashMap采用整数扩容，简单来说就是，新建一个更长的数组，然后遍历原数组的每个元素，将其重新计算哈希值并放入新的数组中
  • 扩容操作是一个相对耗时的过程，因为需要重新计算元素的哈希值和重新插入新元素到新数组中。为了减少扩容操作的频率，可以通过在创建HashMap对象时指定初始容量和负载因子来进行调优

HashMap在进行扩容时，使用的rehash方式十分巧妙，因为每次扩容都是翻倍，与原来计算的(n-1)&hash的结果相比，只多了一个bit位，所以同一个桶中的节点要么在原来的位置，要么被分配到“原位置+旧容量”的位置

正式因为这样巧妙地rehash方式，既省去了重新计算hash值的时间，同时，由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的，在resize的过程中保证了rehash之后的每个桶上的节点一定小于等于原来的桶的节点数，保证rehash之后不会出现更严重的hash冲突

死循环问题

JDK1.7之前，对冲突数据采用头插法。也就是新插入的数据会处于链表的表头。在并发扩容的时候，会出现死循环问题

对底层链表进行扩容时，会出现并发死链问题。

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Void transfer(Entry[] newTable,boolean rehash){
	int newCapacity=new Table.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=e.next;
        }
    }
}

JDK8虽然将扩容算法做了调整，不再将元素加入链表头（而是保持与扩容前一样的顺序），担任不意味着能够在多线程环境下能够安全扩容，还会出现其他问题（比如扩容丢数据）

存在的线程安全的问题

  • 扩容死循环：在JDK1.7中，HashMap使用头插法插入元素，当多个线程同时进行扩容操作时，可能会导致环形链表的形成，从而陷入死循环。
  • 元素丢失：当多个线程同时执行put操作时，如果它们计算出的索引位置相同，就会造成前一个key被后一个key覆盖的情况，从而导致元素丢失
  • get为null：当一个线程执行put操作导致扩容时，而另一个线程同时执行get操作，有可能导致get返回null的情况。因为在扩容过程中，HashMap的结构发生了变化，get操作可能会在旧的结构中查找元素而导致找不到