分析JDK 源码是走进高级工程师的门槛，我们必须在熟练使用的同时了解到这些在底层中是如何实现的。以下都是以 jdk 1.8 源码分析的
HashMap
基于哈希表实现。底层用数组+单向链表（1.8增加了黑红树）存储。无序，键名唯一，可为 NULL；键值可重复，可为 NULL
public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
1、存储机制
HashMap 以键值对方式存储，内部包含了一个 Node 类型的数组 table。
每个 Node 节点有4个属性：hash、key、value 、next
数组中的每个位置被当成一个桶，一个桶存放一个链表。当发生 hash 碰撞的时候，以链表的形式进行存储
transient Node<K,V>[] table;
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
}
1> Key 为空值原理
计算key的hash值时，会判断是否为 NULL
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
2> hashCode 作用
- hash 算法可以直接根据元素的 hashCode 值计算出该元素的存储位置从而快速定位该元素
- 如果两个对象相同，就是适用于equals(java.lang.Object) 方法，那么这两个对象的hashCode一定要相同
- 为什么不直接使用数组，还需要使用 HashSet 呢？
- 因为数组元素的索引是连续的，而数组的长度是固定的，无法自由增加数组的长度。而HashSet就不一样了，HashSet采用每个元素的hashCode值来计算其存储位置，从而可以自由增加长度，并可以根据元素的hashCode值来访问元素。
3> Hash 碰撞处理
- JDK7 中，当发生hash碰撞的时候，以链表的形式进行存储。
- JDK8中增加了黑红树的使用。当一个hash碰撞的次数超过指定次数(常量8次)的时候，将转换为红黑树结构
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
// 计算键名的哈希值
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length; // 集合大小为 0 时会初次扩容resize()
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) // 判断是否发生 hash 碰撞，数组索引为 (n - 1) & hash
tab[i] = newNode(hash, key, value, null); // 不发生 hash 碰撞，以数组存储
else {
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
else if (p instanceof TreeNode) // 判断是否是树节点
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); // 红黑树存储
else {
// 链表插入 ----start
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null); // 链表存储
// static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 链表长度
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // 判断链表长度是否大于 8
treeifyBin(tab, hash); // 转换 Node 节点为 TreeNode 节点
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
// 链表插入 ----end
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold) // 是否扩容判断，阀值threshold = 初始容量 * 负载因子
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
当 HashMap 中同一 hash 位的链表长度大于 8 时， 将Node 节点对象，转换成 树节点对象 TreeNode
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null); // 转换 Node 对象为TreeNode
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
TreeNode<K,V> replacementTreeNode(Node<K,V> p, Node<K,V> next) {
return new TreeNode<>(p.hash, p.key, p.value, next);
}
2、扩容机制
JDK 8 源码分析：
- 初始容量：
默认 16，指哈希表中桶的数量 - 负载因子：
默认 0.75，指哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度 - 初始阀值：
初始容量 * 负载因子(16 * 0.75 = 12) - 扩容倍数：
2 倍 - 容量范围：
16 < 容量 < MAXIMUM_CAPACITY（230），超出默认为Integer.MAX_VALUE( 231-1)
扩容步骤：
第一步：
- 如果：原容量大于 0 的情况下，
- 比较原容量是否超出
最大容量，是设置阀值为Integer.MAX_VALUE，并返回当前 哈希表 table - 否则，设置新容量为原来 2 倍 ，再判断此时新容量是否在
容量范围中，是，则新阀值为原来 2 倍
- 比较原容量是否超出
- 如果：原容量等于 0 ，但阀值大于 0 的情况下， 设置容量等于阀值。 这种情况是在 new HashMap(0) 时，经tableSizeFor()计算得阀值会为 1。
- 在 1,2 不满足的情况下，直接设置默认初始容量和阀值
第二步：在判断阀值是否为 0，是 ，则根据当前容量大小设置阀值为 容量 * 负载因子 ，或者为 Integer.MAX_VALUE
第三步：new 一个新的哈希表，复制数据到新哈希表
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 集合最大容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 初始容量 16
// 扩容方法
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
// oldCap 数组长度 oldThr 阀值
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
// 计算容量和阀值得大小 --- star
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 扩容条件，扩容后的容量在 16 到 最大容量之间时
// 扩容大小为 << 1 ，2 倍 相等乘 2
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
// 计算容量和阀值得大小 --- end
// 扩容，复制新数组---start
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
// 扩容，复制新数组---end
return newTab;
}
题型计算
HashMap对象如果确定只装载100个元素，new HashMap(?)多少是最佳的，why ？
解答：
- 100/0.75 = 133.33。为了防止rehash，向上取整，为134。
- hash表的长度设为2的N次方： 128（2的7次方）< 134 < 256
- 所以 结果是256
3、并发安全
线程不安全原因：
- 多线程下新增可能会被覆盖：两个线程在单链上插入同一个位置时会被覆盖
- 扩容易丢失数据：多个线程同时扩容时，最终只有最后一个线程生成的新数组被赋给table变量，其他线程的均会丢失。
- HashMap 死循环原理：
transfer方法，（引入重点）这就是HashMap并发时，会引起死循环的根本原因所在
线程安全解决方案
使用集合工具类 Collections.synchronizedMap（list、set 等都有）
使用 Hashtable
使用并发包提供的线程安全容器类：比如 ConcurrentHashMap
1> Collections.synchronizedMap
通过 synchronizedMap() 返回一个 SynchronizedMap对象。 该对象内部维持Map对象进行操作，并使用 synchronized 进行封装，来保证线程安全。
其他Set、ArrayList 都是同理
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
return new SynchronizedMap<>(m);
}
private static class SynchronizedMap<K,V> implements Map<K,V>, Serializable {
private final Map<K,V> m; // Backing Map
final Object mutex;
SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
this.m = Objects.requireNonNull(m);
mutex = this;
}
public boolean containsKey(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
}
public boolean containsValue(Object value) {
synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
}
2> Hashtable
- Hashtable 继承 Dictionary 类，数据结构与 HashMap 类似，不过 Hashtable 内部维持 Entry 对象，而 在 jdk 1.8 中 HashMap是 Node 对象，不过他们都实现了 Map.Entry
- 初始容量为
11，增长因子为0.75，每次扩容为原来的2n + 1 - hashCode直接取的键名的哈希值，以 (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length 取余作元素对应哈希表索引，将值存储该索引下（Integer.MAX_VALUE = 0x7FFFFFFF ）
- key和value都不允许为 NULL ，
- 支持多线并发，synchronized 修饰 put 方法，同一时间只允许一个写线程操作该对象，效率没有ConcurrentHashMap高
public class Hashtable<K,V> extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
private transient Entry<?,?>[] table;
public Hashtable() {
this(11, 0.75f); // 默认的初始容量为 11，增长因子为0.75
}
}
Hashtable与 HashMap区别
- **父类：**Hashtable 继承自
Dictionary类，而HashMap继承自AbstractMap类。但二者都实现了Map接口。 - **同步方式：**Hashtable 支持线程同步，所有对外方法由synchronized修饰；HashMap可以通过Collections.synchronizedMap(hashMap)来进行处理
- **Key的空值：**Hashtable 中，key和value都不允许出现null值，HashMap可以由一个null的key，多个null的Value
- **哈希值：**HashTable直接使用对象的hashCode。而HashMap重新计算hash值。
- 迭代器：HashMap的迭代器(Iterator)是fail-fast迭代器，而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的
- **扩容：**Hashtable默认的初始容量为
11，每次扩充为原来的2n + 1。HashMap默认的初始容量16。每次扩充为原来的2倍。
添加元素源码如下：
由synchronized 对 put 方法进行加锁。
public synchronized V put(K key, V value) {
// Make sure the value is not null
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode(); // 键名不能为空
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}
private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
if (count >= threshold) {
// Rehash the table if the threshold is exceeded
rehash(); // 扩容
tab = table;
hash = key.hashCode();
index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
}
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}
扩容机制
protected void rehash() {
int oldCapacity = table.length;
Entry<?,?>[] oldMap = table;
// overflow-conscious code
int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 1; // 扩容倍数 2n + 1
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) {
if (oldCapacity == MAX_ARRAY_SIZE)
return;
newCapacity = MAX_ARRAY_SIZE;
}
Entry<?,?>[] newMap = new Entry<?,?>[newCapacity];
modCount++;
threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAX_ARRAY_SIZE + 1);
table = newMap;
for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
Entry<K,V> e = old;
old = old.next;
int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
newMap[index] = e;
}
}
}
3> ConcurrentHashMap
数据结构与 HashMap 类似，底层通过
数组+链表+红黑树实现，不过键值对不支持 NULLConcurrentHashMap 使用了
volatile来保证哈希表的可见性ConcurrentHashMap 使用
锁分段技术来保证线程安全，哈希表默认16个桶，代表能同时有16个写线程执行初始容量为16，增长因子为 0.75，每次扩容增加原理的 2 倍
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
transient volatile Node<K,V>[] table;
}
效率高的原因：诸如get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。这样，原来只能一个线程进入，现在却能同时有16个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的。
ConcurrentHashMap 与HashTable区别
相同点： Hashtable 和 ConcurrentHashMap都是线程安全的； key跟value都不能是null
区别： 两者主要是性能上的差异，
- Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表，从而在同一时刻只能由一个线程对其进行操作；
- ConcurrentHashMap使用锁分段技术来保证线程安全的。在调用如 get、put、remove等常用操作只锁住当前需要用到的桶。从原来只能写线线程执行，变成能同时有多个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的。
添加元素源码如下：
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); // 所以键值对都不能为空
int hash = spread(key.hashCode()); // (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable(); // 懒加载 初始化
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED) // 集合对象正在扩容时，先协助扩容，再更新值
tab = helpTransfer(tab, f);
else { // hash 碰撞
V oldVal = null;
synchronized (f) { // 分段锁，对哈希表中的Node节点加锁
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
if (e.hash == hash && // 节点存在,即替换链表该节点的值
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent) // 替换
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) { // 节点不存在,即添加数据到链表尾部
pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) { // 红黑树存储
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) //链表节点长度超过8，转为红黑树存储
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount); // 利用CAS更新baseCount
return null;
}
ConcurrentHashMap 日后再详细写一单章进行分析，目前只对其进行初步认识与了解。
4、遍历方式
// 1. 通过Map.keySet遍历key和value：
for (String key : hashmap.keySet()){
System.out.println("key: "+ key + "; value: " + hashmap.get(key));
}
//2. 通过Map.entrySet使用iterator遍历key和value：
Iterator<Map.Entry<Integer, String>> it = hashmap.entrySet().iterator();
while (it.hasNext()){
Map.Entry<Integer, String> entry = it.next();
System.out.println("key: "+ entry.getKey() + "; value: " + entry.getValue());
}
//3. 通过Map.entrySet遍历key和value
for(Map.Entry<Integer, String> entry : hashmap.entrySet()){
System.out.println("key: "+ entry.getKey() + "; value: " + entry.getValue());
}
//4. 通过Map.values()遍历所有的value，但不能遍历key
for (String value : hashmap.values()) {
System.out.println("value: "+value);
}
5、HashSet
HashSet 内部维持了一个HashMap 对象，新增元素通过HashMap对象的 put(K key, V value) 方法，存放一个Object对象，因此 HashSet 的原始是否为 NULL 和扩容机制都取决于 HashMap 特性。
HashSet 的初始容量 16，默认增长因子 0.75，元素允许一个 NULL
public class HashSet<E> extends AbstractSet<E> implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
private transient HashMap<E,Object> map;
private static final Object PRESENT = new Object();
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
}
