带你走进Java集合_HashMap源码分析_分析容器大小必须是2的整数次幂原因

2019年3月10日 387次阅读 来源: java集合源码分析

我们上一篇文章主要介绍了HashMap的底层数据结构、构造方法、重要的属性，在上一篇我们遗留了一个问题，那就是为什么HashMap的大小必须是2的整数次幂，这一篇文章，我们从源码的角度来解决这个问题。首先我们回顾一下上一篇文章的重点内容

1）HashMap的底层数据结构是数组+链表+红黑树，我将要有一篇文章重点讲解HashMap的链表、红黑树。

2）底层数组的容量大小必须是2的整数次幂。这篇文章重点讲解

3）扩容相关的两个重要属性loadFactor(加载因子)和threshold（阀门），其中threshold=底层数组容量大小*loadFactor;

4）HashMap构造函数中并没有初始化底层数组的大小，底层数组的大小是第一次调用put时初始化的。

讲解这个知识点之前，我们要知道.

1)调用HashMap无参构造函数HashMap(),底层数组的大小为1<<4,也就是16，2的4次幂

2）调用HashMap有参构造函数HashMap(int initialCapacity) 通过tabSizeFor计算得到大于或等于initialCapacity最接近的2的整数次幂。

例如：用户HashMap(8).通过tabSizeFor方法得到8，HashMap(7)通过tabSizeFor方法得到8，HashMap(9)通过tabSizeFor方法得到16.其中tabSizeFor的第一行代码cap-1的作用就为了防止用户给定的就是2的整数次幂，上面8，如果没有cap-1,通过下面的计算获得了16.实际上应该是8，所以知道了cap-1的作用了。

综上所述，不管是默认的，还是我们指定的大小，最终底层数组容器的大小一定为2的整数次幂，这是为什么呢？我们接下来从源码解读分析。

第一步：我们要从put的方法说起，HashMap的put源码如下：

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

我们首先看hash(key),HashMap为了性能的，利用Hash散列存储的，但是不管hash算法如何的好，都有可能出现hash冲突，HashMap利用key的hash值的高16位与低16位进行异或来降低hash的冲突。源码如下：

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

异或的运算规律：两个操作数，相同则为0，不同则为1，举例说明：

1）2^3=1

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2)9^17=24

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HashMap通过key的hash值的高16位和低16位异或运算，是基于时间、效率多方的考量。

我们在进入putVal()方法

p = tab[i = (n - 1) & hash]

逻辑与的运算规则：两个操作数，全1则1，否则为0

putVal其他的我们暂且不分析，就分析其中上面的代码(n-1)&hash,找出下标，加入我们默认容器16，当put值时，散列的越分散越好，最好的情况就是没有碰到hash冲突，而(n-1)&hash尽可能的会均匀分布，我们上面知道，n一定是2的整数次幂。我们接下来举例说明：

如果我们默认底层数组的大小n=16,计算出的hash值分别1,2,3,4,5,6…….12,通过(n-1)&hash的结果如下：

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可以从以上的结果中看得出，通过(n-1)&hash可以均匀的分布。

如果n不是2的整数次幂，n=20,计算出的hash值分别1,2,3,4,5,6…….12   (n-1)&hash

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通过的上面的列子可以看出，如果n不是2的整数次幂，(n-1)&hash分布的很不均匀，会导致计算出的下标冲突，形成链表或者红黑树，导致性能下降，有的同学会有两个疑问？

疑问1：为什么要n-1呢？

我们上面证明了n必须是2的整数次幂，如果直接利用n&hash来计算的话，n转换成二进制，只有最高位为1，其余位数都为0，逻辑与运算&规律：全1则1，否则为0，也是为了避免分布不均的情况。

疑问2：获取数组的下标，为什么不用取余运算呢？ hash%n

逻辑与运算的性能要高于取模运算，实际上HashMap中的(n-1)&hash的功能和取模运算的功能相同。

通过上面的讲解，我们是不是知道了为什么HashMap的底层容器的大小必须是2的整数次幂呢，现在我们总结一下：

1）HashMap通过key的高16位与key的低16位异或运算key.hashCode()^(key.hashCode>>>16),这样是基于从时间、效率等综合方面考虑的。

2）HashMap的底层容器大小必须是2的整数次幂，因为(n-1)&hash分布的更均匀，而(n-1)&hash是获取底层数组的下标，通过(n-1)&hash,减少冲突。只有是2的整数次幂，(n-1)&hash才能起到很好的作用。

3）(n-1)&hash和取余（%）运算达到同样的效果，但是前者效率远高于后者。

4）彻底理解底层数组容器的大小必须是2的整数次幂的源码(n-1)&hash进行分析的

    原文作者：java集合源码分析
    原文地址: https://blog.csdn.net/shaotianqiang/article/details/80802364
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