hashmap底層原理_Java集合 - HashMap原理(一) 概念和底層架構

HashMap在Java開發中使用的非常頻繁，可以說僅次于String，可以和ArrayList并駕齊驅，準備用幾個章節來梳理一下HashMap。我們還是從定義一個HashMap開始。

HashMap mapData = new HashMap<>();
           

我們從此處進入源碼，逐漸揭露HashMap

/** * Constructs an empty HashMap with the default initial capacity * (16) and the default load factor (0.75). */public HashMap() {    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted}
           

我們發現了兩個變量loadFactor和DEFAULT_LOAD_FACTOR，從命名方式來看：因為沒有接收到loadFactor參數，進而将某個預設值指派給了loadFactor。這兩變量到底是什麼意思，還有無其他變量？

其實HashMap中定義的靜态變量和成員變量很多，我們看一下

//靜态變量static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
           

//成員變量transient Node[] table;transient Set> entrySet;transient int size;transient int modCount;int threshold;final float loadFactor;
           

共有6個靜态變量，都設定了初始值，且被final修飾，叫常量更合适，它們的作用其實也能猜出來，就是用于成員變量的預設值設定以及方法中相關的條件判斷等情況。

共有6個成員變量，除這些成員變量外，還有一個重要概念capacity，我們主要說一下table，entrySet，capacity, size，threshold，loadFactor，我們我們簡單解釋一下它們的作用。

1. table變量

table變量為HashMap的底層資料結構，用于存儲添加到HashMap中的Key-value對，是一個Node數組，Node是一個靜态内部類，一種數組和連結清單相結合的複合結構，我們看一下Node類：

static class Node implements Map.Entry {    final int hash;    final K key;    V value;    Node next;    Node(int hash, K key, V value, Node next) {        this.hash = hash;        this.key = key;        this.value = value;        this.next = next;    }    public final K getKey()        { return key; }    public final V getValue()      { return value; }    public final String toString() { return key + "=" + value; }    public final int hashCode() {        return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);    }    public final V setValue(V newValue) {        V oldValue = value;        value = newValue;        return oldValue;    }    public final boolean equals(Object o) {        if (o == this)            return true;        if (o instanceof Map.Entry) {            Map.Entry,?> e = (Map.Entry,?>)o;            if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&                Objects.equals(value, e.getValue()))                return true;        }        return false;    }}
           

若以乘機做比喻的話，那麼你買票的身份證号就是(key)，通過hash算法生成的(hash)值就相當于值機後得到的航班座位号；你自己自然就是(value),你旁邊的座位、人就是下一個Node(next)；這樣的一個座位整體(包括所坐人員及其身份證号、座位号)就是一個table，這許多的table的建構的Node[] table，就構成了本次航班任務。

那麼為什麼要用到數組和連結清單結合的資料結構？

我們知道數組和連結清單都有其各自的優點和缺點，數組連續存儲，尋址容易，插入删除操作相對困難；而連結清單離散存儲，尋址相對困難，而插入删除操作容易；而HashMap結合了這兩種資料結構，保留了各自的優點，又彌補了各自的缺點，當然連結清單長度太長的話，在JDK8中會轉化為紅黑樹，紅黑樹在後面的TreeMap章節在講解。

HashMap的結構圖如下：

怎麼解釋這種結構呢？

還是以乘機為例來說明，假如購票系統比較人性化并取消了值機操作，購票按照年齡段進行了區分，友善大家旅途溝通交流，于是20歲以下共6個人的分為了一組在20A20F，2030歲共6個人分為一組在21A21F，3040歲共6個人分為一組在22A22F，4050歲共6個人分為一組在23A~23F。

這時我們如果要找20幾歲的小姐姐，我們很容易知道去21排找，從21A開始往下找，應該就能很快找到。

從資料的角度看，按年齡段分組(通過hash算法得到hash值，不同年齡段hash值不同，相同年齡段hash值相同)後，将各年齡段中第一個坐到座位上的人放到數組table中，下一個人來的時候，将第一個人往裡面挪，自己在數組裡，并将next指向第一個人。

2. entrySet變量

entrySet變量為EntrySet實體，定義為變量可保證不重複多次建立，是一個Map.Entry的集合，Map.Entry是一個接口，Node類就實作了該接口，是以EntrySet中方法需要操作的資料就是HashMap的Node實體。

public Set> entrySet() {    Set> es;    return (es = entrySet) == null ? (entrySet = new EntrySet()) : es;}
           

3. capacity

capacity并不是一個成員變量，但HashMap中很多地方都會使用到這個概念，意思是容量，很好了解，在前面的文中提到了兩個常量都與之相關

/** * The default initial capacity - MUST be a power of two(必須為2的幂次). * 預設容量16，舉例：飛機上正常的座位所對應的人員數量， */static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16/** * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified * by either of the constructors with arguments. * MUST be a power of two <= 1<<30(必須為2的幂次，且不能大于最大容量1,073,741,824). * 舉例：緊急情況下，如救災時盡可能快撤離人員，這個時候在保證安全的情況下(允許站立)，能運輸的人員數 */static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
           

同時HashMap還具有擴容機制，容量的規則為2的幂次，即capacity可以是1，2，4，8，16，32...，怎麼實作這種容量規則呢？

/** * Returns a power of two size for the given target capacity. */static final int tableSizeFor(int cap) {    int n = cap - 1;    n |= n >>> 1;    n |= n >>> 2;    n |= n >>> 4;    n |= n >>> 8;    n |= n >>> 16;    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;}
           

用該方法即可找到傳遞進來的容量的最近的2的幂次，即

cap = 2, return 2；

cap = 3, return 4;

cap = 9, return 16;

...

大家可以傳遞值進去自己算一下，先cap-1操作，是因為當傳遞的cap本身就是2的幂次情況下，假如為4，不減去一最後得到的結果将是傳遞的cap的2倍。

我們來一行行計算一下：tableSizeFor(11)，按規則最後得到的結果應該是16

//第一步：n = 10，轉為二進制為00001010int n = cap - 1;//第二步：n右移1位，高位補0(10進制：5，二進制：00000101)，并與n做或運算(有1為1，同0為0)，然後指派給n(10進制：15，二進制：00001111)n |= n >>> 1;//第三步：n右移2位，高位補0(10進制：3，二進制：00000011)，并與n做或運算(有1為1，同0為0)，然後指派給n(10進制：15，二進制：00001111)n |= n >>> 2;//第四步：n右移4位，高位補0(10進制：0，二進制：00000000)，并與n做或運算(有1為1，同0為0)，然後指派給n(10進制：15，二進制：00001111)n |= n >>> 4;//第五步：n右移8位，高位補0(10進制：0，二進制：00000000)，并與n做或運算(有1為1，同0為0)，然後指派給n(10進制：15，二進制：00001111)n |= n >>> 8;//第六步：n右移16位，高位補0(10進制：0，二進制：00000000)，并與n做或運算(有1為1，同0為0)，然後指派給n(10進制：15，二進制：00001111)n |= n >>> 16;//第七步：return 15+1 = 16;return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
           

最終的結果正如預期，算法很牛逼啊，ヽ(ー_ー)ノ，能看懂，但卻設計不出來。

4. size變量

size變量記錄了Map中的key-value對的數量，在調用putValue()方法以及removeNode()方法時，都會對其造成改變，和capacity區分一下即可。

5. threshold變量和loadFactor變量

threshold為臨界值，顧名思義，當過了臨界值就需要做一些操作了，在HashMap中臨界值“threshold = capacity * loadFactor”，當超過臨界值時，HashMap就該擴容了。

loadFactor為裝載因子，就是用來衡量HashMap滿的程度，預設值為DEFAULT_LOAD_FACTOR，即0.75f，可通過構造器傳遞參數調整(0.75f已經很合理了，基本沒人會去調整它)，很好了解，舉個例子：

100分的試題，父母隻需要你考75分，就給你買一台你喜歡的電腦，裝載因子就是0.75，75分就是臨界值；如果幾年後，試題的分數變成200分了，這個時候就需要你考到150分才能得到你喜歡的電腦了。

總結

本文主要講解了HashMap中的一些主要概念，同時對其底層資料結構從源碼的角度進行了分析，table是一個資料和連結清單的複合結構，size記錄了key-value對的數量，capacity為HashMap的容量，其容量規則為2的幂次，loadFactor為裝載是以，衡量滿的程度，而threshold為臨界值，當超出臨界值時就會擴容。

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轉載自：https://www.cnblogs.com/LiaHon/p/11142958.html