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Java面试HashMap、HashSet源码解析

本章所有源代码基于JDK1.8版本HashMap和HashSet是JavaCollectionFramework的两个重要成员,其中HashMap是Map接口的常用实现类,Hash

本章所有源代码基于JDK1.8版本

HashMap 和 HashSet 是 Java Collection Framework 的两个重要成员,其中 HashMap 是 Map 接口的常用实现类,HashSet 是 Set 接口的常用实现类。虽然 HashMap 和 HashSet 实现的接口规范不同,但它们底层的 Hash 存储机制完全一样,甚至 HashSet 本身就采用 HashMap 来实现的,这一点我们通过查看HashSet的源代码就能看得到。

通过阅读源代码分析存储逻辑

HashMap

在日常的编程过程中,如果我们想要使用HashMap类,通常写法如下:

HashMap params = new HashMap();
params.put("phone","1234567890");
params.put("dtype","json");

可以由此看出,HashMap中将一个key-value作为一个整体进行处理,系统根据key的Hash值计算key-value的存储位置,这样可以保证快速存、取Map的key-value值。
下面我们查看一下HashMap中put方法的源码实现:

//put方法的入口,直接调用putVal进行处理
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
/**hash key计算得到的Hash值
* key key
* value key对应的value
* onlyIfAbsent 如果该参数为true,则不能修改已经存在的值
* 返回 key的hash值对应的位置之前的value,如果没有,直接返回空
*/
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node[] tab; Node p; int n, i;
//如果长度为0,或者HashMap为空,则重新计算长度
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果key为null,则hash值为0,i值为0,则获取整个Node数组位置0处的值,是否为null
//为null代表当前位置0处,用于存放hash值为0位置没有任何元素,则将现有key-value放入这个位置,作为链表第一个对象
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node e; K k;
//如果key不为空,且在队列中这个key已经存在,得到当前位置node值。
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//如果hash值对应位置是一个链表数据,则将当前数据放在链表的最前,则将现有值放入链表中,
//返回新增对象,此值如果已存在,则返回链表中这个值对应的key-value
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//否则循环判断,将node放入节点中
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//如果当前位置只有一个元素,则修改当前位置为链表结构,将key-value放到链表最前
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//如果hash值相同,且key值相同,不进行处理,跳出处理程序
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
//下移一位,继续判断
p = e;
}
}
//如果在上述的判断中,一个是hash值找到的位置上已经有元素,且key值相同,
//或者找到位置已经是链表数据,获取到key对应的key-value节点,则进行如下判断
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;//获取当前位置原有值
//如果允许覆盖修改,或者当前位置原有的值为null,则直接修改当前位置的值
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;//返回原有值
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)//如果HashMap大小已经超过长度*加载因子,则重新计算长度
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

我们 用一张图片来演示一下存储过程

《Java面试 HashMap、HashSet源码解析》 HashMap值存储介绍

  • 当put键值对[null, V]时,计算null的hash值得知在数组中位置为0
    • 如果位置0处没有任何对象,则直接将[null, V]存放在位置0处
    • 如果位置0处已有对象,则直接使用新的值V修改原有对象的值
  • 当put键值对[S, V]时,我们假设key值Ss的hash值相同,则在数组中对应的位置相同
    我们比较已有值的key同新put的key进行比较,不相等,则将新的值插入到原有数据之前,形成链表结构
  • 当put键值对[m, V]时,如果计算key的hash值,得到数组中对应位置上没有元素,则直接将[m, V]放到位置上。
  • 当put键值对[K, V]时,原有位置已有元素,且key值相同,则直接使用新的值V覆盖原有值
    上述代码中有两个变量很重要,分别为sizethreshold
  • size 已有对象数量
  • threshold 当前HashMap所能容纳对象的极限数量,值为当前HashMap容量*负载因子,如果容量就回触发重新设置HashMap大小的算法

HashMap提供三个构造方法,分别为

  1. public HashMap() 生成长度默认16,负载因子默认为0.75的HashMap
  2. public HashMap(int initialCapacity) 生成长度为initialCapacity,负载因子默认为0.75的HashMap
  3. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 生成长度为initialCapacity,负载因子为loadFactor的HashMap

构造方法源码为

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
//如果设置的长度小于0,抛出异常
if (initialCapacity <0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
//如果长度大于可设置的最大长度`2的30次方,1073741824`,则长度为最大长度
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//如果负载因子小于等于0,或者无法转换为float类型,抛出异常
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

HashMap中的每一个key-value都是一个对象,包含四个属性,hash值,key,value,下一个元素

HashMap元素的获取

程序中,获取元素,可以调用HashMap的get(Object key)方法,逻辑为根据给定的key,得到key的hash值,然后使用hash值计算得到在数组中的位置。

  • 如果当前位置没有元素,直接返回null
  • 如果当前位置有元素,且key值相同,直接返回当前位置元素
  • 如果当前位置为链表结构,则使用顺序循环遍历链表的方法从中查询出key值相同的对象返回

HashMap总结

HashMap底层将key-value作为一个整体来进行处理,起整体就是一个Node对象。本质上就是Node的数组,存储值时使用key的hash值寻址存储,读取时根据key的hash值寻址读取。因此,HashMap可以快速存取key-value,其实就是因为采用了key的hash值定位寻址的方式。
初始化HashMap时,需要指定负载因子,负载因子值得就是HashMap中数值存储的密度,密度越大,占用内存越大,根据hash值进行寻址花费的时间也就越多,而存储和读取都需要使用寻址,因此会降低运行效率。如果负载因子设置过小,会使得密度降低,造成内存空间浪费。一般来说,我们无需修改HashMap的负载因子。
从源代码中我们也可以看出,如果数组中已有对象个数超过最大承受极限,也就是数组长度*负载因子,则需要重新计算数组长度,这个过程会进行数组内已有所有元素的重新计算位置和拷贝,造成不必要的系统开销。因此如果我们可以提前知道HashMap中元素的最大数量,可以根据需要设置到合适大小,避免重新计算。

HashSet

通过阅读HashSet的源代码,发现HashSet类的内部就是使用HashMap。HashSet的构造函数为:

public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}

因此在HashSet内部也是使用Hash值计算的方式决定集合元素的存放位置
这点可以从HashSet 和 HashMap 之间有很多相似之处,对于 HashSet 而言,系统采用 Hash决定集合元素的存储位置,这样可以保证能快速存、取集合元素;


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Era_zhou
这个家伙很懒,什么也没留下!
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