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HashMap内部结构深入剖析

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java.util.HashMap是很常见的类,前段时间公司系统由于对HashMap使用不当,导致cpu百分之百,在并发环境下使用HashMap而没有做同步,可能会引起死循环,关于这一点,sun的官方网站上已有阐述,这并非是bug。

HashMap的数据结构

HashMap主要是用数组来存储数据的,我们都知道它会对key进行哈希运算,哈系运算会有重复的哈希值,对于哈希值的冲突,HashMap采用链表来解决的。在HashMap里有这样的一句属性声明:
transient Entry[] table;
Entry就是HashMap存储的数据,它拥有的属性如下

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final K key;
 V value;
 final int hash;
 Entry<K,V> next;

看到next了吗?next就是为了哈希冲突而存在的。比如通过哈希运算,一个新元素应该在数组的第10个位置,但是第10个位置已经有Entry,那么好吧,将新加的元素也放到第10个位置,将第10个位置的原有Entry赋值给当前新加的Entry的next属性。数组存储的链表,链表是为了解决哈希冲突的,这一点要注意。
几个关键的属性
存储数据的数组
transient Entry[] table; 这个上面已经讲到了
默认容量

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static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

最大容量

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static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

默认加载因子,加载因子是一个比例,当HashMap的数据大小>=容量*加载因子时,HashMap会将容量扩容

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static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

当实际数据大小超过threshold时,HashMap会将容量扩容,threshold=容量*加载因子

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int threshold;

加载因子

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final float loadFactor;

HashMap的初始过程
构造函数1

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public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
 
        // Find a power of 2 >= initialCapacity
        int capacity = 1;
        while (capacity < initialCapacity) 
            capacity <<= 1;
 
        this.loadFactor = loadFactor;
        threshold = (int)(capacity * loadFactor);
        table = new Entry[capacity];
        init();
    }

重点注意这里

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while (capacity < initialCapacity) 
            capacity <<= 1;

capacity才是初始容量,而不是initialCapacity,这个要特别注意,如果执行new HashMap(9,0.75);那么HashMap的初始容量是16,而不是9,想想为什么吧。

构造函数2

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 public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

构造函数3,全部都是默认值

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 public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }

构造函数4

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public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        putAllForCreate(m);
    }

如何哈希
HashMap并不是直接将对象的hashcode作为哈希值的,而是要把key的hashcode作一些运算以得到最终的哈希值,并且得到的哈希值也不是在数组中的位置哦,无论是get还是put还是别的方法,计算哈希值都是这一句:

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int hash = hash(key.hashCode());

hash函数如下:

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static int hash(int h) {
    return useNewHash ? newHash(h) : oldHash(h);
    }

useNewHash声明如下:

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private static final boolean useNewHash;
    static { useNewHash = false; }

这说明useNewHash其实一直为false且不可改变的,hash函数里对useNewHash的判断真是多余的。

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private static int oldHash(int h) {
        h += ~(h << 9);
        h ^=  (h >>> 14);
        h +=  (h << 4);
        h ^=  (h >>> 10);
        return h;
    }
    private static int newHash(int h) {
        // 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).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

其实HashMap的哈希函数会一直都是oldHash。

如果确定数据的位置
看下面两行

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int hash = hash(k.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);

第一行,上面讲过了,是得到哈希值,第二行,则是根据哈希指计算元素在数组中的位置了,位置的计算是将哈希值和数组长度按位与运算。

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static int indexFor(int h, int length) {
        return h & (length-1);
    }

put方法到底作了什么?

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public V put(K key, V value) {
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        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);
                return oldValue;
            }
        }
 
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

如果key为NULL,则是单独处理的,看看putForNullKey方法:

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 private V putForNullKey(V value) {
        int hash = hash(NULL_KEY.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
 
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == NULL_KEY) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
 
        modCount++;
        addEntry(hash, (K) NULL_KEY, value, i);
        return null;
    }

NULL_KEY的声明:

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static final Object NULL_KEY = new Object();

这一段代码是处理哈希冲突的,就是说,在数组某个位置的对象可能并不是唯一的,它是一个链表结构,根据哈希值找到链表后,还要对链表遍历,找出key相等的对象,替换它,并且返回旧的值。

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for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == NULL_KEY) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

如果遍历完了该位置的链表都没有找到有key相等的,那么将当前对象增加到链表里面去

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 modCount++;
  addEntry(hash, (K) NULL_KEY, value, i);
  return null;

且看看addEntry方法

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  void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e);新建一个Entry对象,并放在当前位置的Entry链表的头部,看看下面的 Entry构造函数就知道了,注意红色部分。

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Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n; 
            key = k;
            hash = h;
        }

如何扩容?
当put一个元素时,如果达到了容量限制,HashMap就会扩容,新的容量永远是原来的2倍。
上面的put方法里有这样的一段:

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if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);

这是扩容判断,要注意,并不是数据尺寸达到HashMap的最大容量时才扩容,而是达到 threshold指定的值时就开始扩容, threshold=最大容量*加载因子。 看看resize方法

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void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
 
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable); 
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    }

重点看看红色部分的 transfer方法

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 void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

tranfer方法将所有的元素重新哈希,因为新的容量变大,所以每个元素的哈希值和位置都是不一样的。

正确的使用HashMap
1:不要在并发场景中使用HashMap
HashMap是线程不安全的,如果被多个线程共享的操作,将会引发不可预知的问题,据sun的说法,在扩容时,会引起链表的闭环,在get元素时,就会无限循环,后果是cpu100%。
看看get方法的红色部分

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public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
        int hash = hash(key.hashCode());
        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.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }

2:如果数据大小是固定的,那么最好给HashMap设定一个合理的容量值

根据上面的分析,HashMap的初始默认容量是16,默认加载因子是0.75,也就是说,如果采用HashMap的默认构造函数,当增加数据时,数据实际容量超过10*0.75=12时,HashMap就扩容,扩容带来一系列的运算,新建一个是原来容量2倍的数组,对原有元素全部重新哈希,如果你的数据有几千几万个,而用默认的HashMap构造函数,那结果是非常悲剧的,因为HashMap不断扩容,不断哈希,在使用HashMap的场景里,不会是多个线程共享一个HashMap,除非对HashMap包装并同步,由此产生的内存开销和cpu开销在某些情况下可能是致命的。

本文固定链接: http://www.chepoo.com/hashmap-code-analysis.html | IT技术精华网

HashMap内部结构深入剖析:等您坐沙发呢!

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