一、HashMap类声明：
HashMap继承于AbstractMap并且实现了接口Map，Cloneable，Serializable。
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
{}
二、HashMap类层次：
HashMap实现了三个接口，继承一个抽象类。除此之外我们应该知道Object是所有类的超类。之所以有一个AbstractMap抽象类，是为了提供一个Map接口实现的骨架，并提供一些实现，最少化实现Map的实现类。
关于序列化，克隆接口另写文章介绍，敬请期待。
三、HashMap存储结构图：
图片来自：http://github.thinkingbar.com/hashmap-analysis/， 敬谢。
四、HashMap变量说明：
//默认的初始化容量，必须是2的的次方数，默认是16；在初始化HashMap没有指定容量时使用
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;
//最大容量2^30，用于table数组，下面做的说明大家不要和size混淆
//我们知道int是32位的，最大正整数是2^31-1，
//另外我们分析源码会发现在resize的时候将阈值设为了Integer.MAX_VALUE，即2^31-1
//所以HashMap实际用到的最大size为2^31-1
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//默认的装载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//空数组，被所有HashMap共享，一般只是作为table的默认值
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
//用于存储HashMap中的桶，长度总是2的次方数，会在第一次put的时候分配内存
//transient表明序列化的时候table不会序列化
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
//size表示HashMap中存储的映射个数
transient int size;
//HashMap实际使用的阈值变量
//一开始这个值是默认的阈值，
//但是当分配table内存是，值为容量*装载因子，即(capacity * load factor)
int threshold;
//装载因子，用以表示table装满程度
//当没有指明装载因子时使用DEFAULT_LOAD_FACTOR
final float loadFactor;
//用以记录HashMap自创建以来结构发生变化的次数
//结构发生变化指：1.增加映射， 2.移除映射， 3.rehash
//这个值会使由这个HashMap得到的迭代器(iterators)快速失败(fail-fast)
//因为在生成迭代器的时候复制了一份modCount当时的值，如果在这之后HashMap发生了结构变化，
//那么这个迭代器中的值就不等于modCount，迭代器就抛出ConcurrentModificationException
//但是通过这个迭代器去改变HashMap的结构是可以的
transient int modCount;
//可选哈希阈值默认值2^31-1
//目的是为了减少String键值的弱哈希计算的冲突
//JVM首先读取系统属性jdk.map.althashing.threshold，
//值为-1时，禁用该值；值为小于0时，抛出异常;值为正则启用可选哈希
//源码分析时会进一步讲解
static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;
//哈希种子，在分配table存储时会计算该值
transient int hashSeed = 0;
//存储映射的Set变量
private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;
五、HashMap方法解析：
1、构造方法:
/**
* 通过容量和装载因子初始化HashMap
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//以下对容量值进行检查，确保在(0, MAXIMUM_CAPACITY]之间
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//以下对装载因子进行检查，要求是正的Float数字
//思考装载因子并没有限制在小于1的范围内，可见可以是大于1的数字，只是这个时候再也反映不出
//table的装满程度，同时put的冲突几率将增高，装载因子失去设计时的意义
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity; //初始阈值为容量值
/**
* HashMap中此init方法的方法体是空的，子类有需要可以实现，
* 主要是为了执行子类的钩子，用的是模板方法设计模式
* 这个方法总是在构造方法的最后一步执行，伪构造方法(clone,readObject)也会调用执行
*/
init(); /
}
/**
* 使用容量和默认的装载因子初始化HashMap
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 使用默认的容量和装载因子初始化HashMap
*/
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
2、内部类：
/**
* 调用处是在虚拟机启动好之后
*/
private static class Holder {
static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD;
static {
//获得系统属性jdk.map.althashing.threshold
//此种方式调用时不进行安全检查，doPrivileged里面的代码享有特权
String altThreshold = java.security.AccessController.doPrivileged(
new sun.security.action.GetPropertyAction(
"jdk.map.althashing.threshold"));
int threshold;
try {
//当系统属性值有被设置，那么获得该值，否者使用可选哈希阈值默认值
threshold = (null != altThreshold)
? Integer.parseInt(altThreshold)
: ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT;
//如果系统属性设置为-1，则赋予Integer最大正整数
if (threshold == -1) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
}
//小于0，抛出异常
if (threshold < 0) {
throw new IllegalArgumentException("value must be positive integer.");
}
} catch(IllegalArgumentException failed) {
throw new Error("Illegal value for ‘jdk.map.althashing.threshold‘", failed);
}
//最后存储为可选哈希值
ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD = threshold;
}
}
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key; //键值，注意这里key是final的，说明一旦赋值不允许修改，强调key值设计原则
V value; //映射值
Entry<K,V> next; //关联的下一个Enrty引用
int hash; //哈希码
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* 此方法被调用，当已存在的Entry中的value被修改的时候
* 子类需要实现
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* 此方法被调用，当这个Entry被移除
* 子类需要实现
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}
/**
* 迭代器实现抽象类，只有next()未实现，留待子类实现
*/
private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
Entry<K,V> next; // 下一个entry
int expectedModCount; // 用于快速失败机制
int index; // 桶的位置索引
Entry<K,V> current; // 当前entry
HashIterator() {
expectedModCount = modCount; //赋予当时HashMap的modCount值
if (size > 0) {
Entry[] t = table;
//找到table数组中按序不为null的那个桶
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
}
public final boolean hasNext() {
return next != null;
}
final Entry<K,V> nextEntry() {
//这句很重要，当生成迭代器后，HashMap结构发生了变化，则迅速失败
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Entry<K,V> e = next;
if (e == null)
throw new NoSuchElementException();
if ((next = e.next) == null) {
Entry[] t = table;
while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
;
}
current = e;
return e;
}
public void remove() {
if (current == null)
throw new IllegalStateException();
//这句很重要，当生成迭代器后，HashMap结构发生了变化，则迅速失败
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
Object k = current.key;
current = null;
HashMap.this.removeEntryForKey(k);
//移除后要更新expectedModCount，否者再次调用会迅速失败
expectedModCount = modCount;
}
}
private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
public V next() {
return nextEntry().value;
}
}
private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
public K next() {
return nextEntry().getKey(); //强调key值设计理念
}
}
private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
public Map.Entry<K,V> next() {
return nextEntry();
}
}
/**
* 用于生成key的set集合，所有方法都委托给HashMap的方法
*/
private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
public Iterator<K> iterator() {
return newKeyIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsKey(o);
}
public boolean remove(Object o) {
return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
/**
* 用于生成value集合，所有方法都委托给HashMap的方法
*/
private final class Values extends AbstractCollection<V> {
public Iterator<V> iterator() {
return newValueIterator();
}
public int size() {
return size;
}
public boolean contains(Object o) {
return containsValue(o);
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
/**
* 用于生成entry的set集合，所有方法实现都委托给HashMap的方法
*/
private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
return newEntryIterator();
}
public boolean contains(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
return candidate != null && candidate.equals(e);
}
public boolean remove(Object o) {
return removeMapping(o) != null;
}
public int size() {
return size;
}
public void clear() {
HashMap.this.clear();
}
}
3、put方法：
/**
* 将键值key与映射值value组成一个映射存储在HashMap中
* 允许key为null，因为key唯一，所以最多有一个这样的映射
* 允许有多个value为null的映射，但是key不同
*/
public V put(K key, V value) {
//在第一次put的时候会检查到table为空并初始化
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
//如果key为null就调用专用的方法进行put，然后返回
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//根据键值key进行哈希计算得到哈希码
int hash = hash(key);
//根据哈希码计算应当将该映射放在table的哪个索引链表下
int i = indexFor(hash, table.length);
//遍历第i个链表查找是否存在于key相同的entry，存在则替换entry的value值并返回旧的value值
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); //put替换存在的entry的value值须调用，子类实现的方法
return oldValue;
}
}
//如果不存在为key的entry，则添加新的entry到HashMap中
//因为HashMap结构发生变化，则modCount加1
//返回null
modCount++;
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
/**
* put键值key为null的时候调用的方法
* 直接在table的第0个索引的链表上查找替换或添加
*/
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;
}
/**
* 在table的第bucketIndex个链表上添加哈希码为hash，键值为key，映射值为value的entry
*/
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//首先检查HashMap的size是否已经到达或者大于阈值，并且第bucketIndex个索引的链表不为null
//那么HashMap需要rehash尝试申请更多table空间，注意是尝试，不一定能分配到的
//同时我们也能知道如果第bucketIndex个索引的链表为null，即时超过阈值也不会去申请空间
//注意size指的是HashMap实际的entry数量，threshold是table的装满程度的具体阈值
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length); //尝试请求申请当前table长度的2倍空间
//重新计算put映射的key的哈希码
//因为这个方法是给所有key的添加使用的，所以要考虑可以为null的情况
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
//重新计算put的映射应该放在申请新空间后的table的哪个索引链表上
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
//创建Entry对象，并插入到第bucketIndex个索引链表的第一个位置
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
/**
* 创建Entry对象，并插入到第bucketIndex个索引链表的第一个位置，size加1
*/
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
4、get方法：
/**
* 获取HashMap中键值为key的entry的value值
* 如果返回null，有可能存储的value就是null，也有可能没有key对应entry，需要结合containsKey检查
*/
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey(); //key为null，调用专用方法
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
private V getForNullKey() {
if (size == 0) {
return null;
}
//直接到table的第0个索引链表下查找
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//首先根据key计算哈希码，然后根据哈希码找到table下的索引链表，最后查找
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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 != null && key.equals(k))))
return e;
}
return null;
}
5、remove方法：
/**
* 从HashMap中移除键值为key的entry，并且返回对应的value值
*/
public V remove(Object key) {
Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//首先根据key计算哈希码，然后根据哈希码找到table下的索引链表
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);
Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
//查找链表
while (e != null) {
Entry<K,V> next = e.next;
Object k;
//找到该key对应的entry
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
//结构该表，计数加1；同时HashMap大小减一
modCount++;
size--;
//如果移除的是table索引的第一个entry，则直接修改table[i]
if (prev == e)
table[i] = next;
//不是第一个entry，则将移除entry的前一个entry的next指向移除entry的next
else
prev.next = next;
//记录移除的entry
e.recordRemoval(this);
return e;
}
//顺序后移，再次循环
prev = e;
e = next;
}
//返回移除的entry
return e;
}
6、一些公用方法：
/**
* 在HashMap使用之前需要做一次膨化处理
*/
private void inflateTable(int toSize) {
//找到大于等于toSize且是2的次方数的最小数
//所以我们需要知道table数组的长度一定是2的次方数
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
//计算阈值
//取二者中较小的那个
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
//初始化哈希种子
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}
private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
return number >= MAXIMUM_CAPACITY
? MAXIMUM_CAPACITY
: (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
}
/**
* 初始化hashSeed，但是貌似hashSeed一直是0，不知道其中缘由
*/
final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;
boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() && //检查虚拟机是否已启动
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
if (switching) {
hashSeed = useAltHashing
? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this) //生成随机种子
: 0;
}
return switching;
}
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
//当哈希种子不为0且k是String时调用特殊的哈希算法
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
// 下面的方法可以使在table每个位置的冲突次数都是一个常数值，在装载因子为0.75的时候为8
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
static int indexFor(int h, int length) {
// assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
// 因为table的length总是2的次方数，所以下面的方法是对h在length上做模运算
// 比如50 % 16 = 2 = 000010 = 110010 & 001111
return h & (length-1);
}
/**
* resize table的大小
*/
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
//如果容量已经到达最大容量值，就将阈值设为Integer最大值，返回
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
//将当前table内容转换到新的容量table中
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
/**
* 将旧table中的entry转化到新table中去，rehash指明是否需要重新计算哈希码
*/
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;
}
}
}
7、其他方法：略
六、说明：
本文对HashMap的源码进行了简略分析。本文基于Java7的JDK1.7.0_79-64分析，由于Java8有改变，之后会基于Java8另写文章解析。
由于作者文笔拙劣，分析粗鄙，纰漏之处还望各位不吝斧正。
时间： 2024-10-10 09:09:40