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本文为书籍《Java编程的逻辑》1和《剑指Java#xff1a;核心原理与应用实践》2阅读笔记
1.1 Map 接口
Map是映射#xff0c;有键和值的概念#xff0c;映射表示键和值之间的对应关系#xff0c;一个键映射到一个值#xff0c;Map按照键存储和访问值#x…剖析HashMap
本文为书籍《Java编程的逻辑》1和《剑指Java核心原理与应用实践》2阅读笔记
1.1 Map 接口
Map是映射有键和值的概念映射表示键和值之间的对应关系一个键映射到一个值Map按照键存储和访问值键不能重复即一个键只会存储一份给同一个键重复设值会覆盖原来的值。使用Map可以方便地处理需要根据键访问对象的场景比如
一个词典应用键可以为单词值可以为单词信息类包括含义、发音、例句等统计和记录一本书中所有单词出现的次数可以以单词为键以出现次数为值管理配置文件中的配置项配置项是典型的键值对根据身份证号查询人员信息身份证号为键人员信息为值。
Map接口的定义如代码清单如下所示
public interface MapK, V { // K 和 V 是类型参数分别表示键key和值value的类型V put(K key, V value); // 保存键值对如果原来有 key覆盖返回原来的值V get(Object key); // 根据键获取值 没找到返回 nullV remove(Object key); // 根据键删除键值对 返回 key 原来的值如果不存在返回 nullint size(); //查看 Map 中键值对的个数boolean isEmpty(); // 是否为空boolean containsKey(Object key); // 查看是否包含某个键boolean containsValue(Object value); // 查看是否包含某个值void putAll(Map? extends K, ? extends V m); // 保存 m 中的所有键值对到当前 Mapvoid clear(); // 清空 Map 中所有键值对SetK keySet(); //获取 Ma p中键的集合CollectionV values(); // 获取 Map 中所有值的集合SetMap.EntryK, V entrySet(); // 获取 Map 中的所有键值对interface EntryK, V { // 嵌套接口表示一条键值对K getKey(); // 键值对的键V getValue(); // 键值对的值V setValue(V value);boolean equals(Object o);int hashCode();}boolean equals(Object o);int hashCode();
}Java 8增加了一些默认方法如getOrDefault、forEach、replaceAll、putIfAbsent、replace、computeIfAbsent、merge等Java 9增加了多个重载的of方法可以方便地根据一个或多个键值对构建不变的Map具体可参见API文档或源码。
Set是一个接口表示的是数学中的集合概念即没有重复的元素集合。Java中的Set定义为
public interface SetE extends CollectionE {
}它扩展了Collection具体的函数定义这里我们不详细展开了不过它要求所有实现者都必须确保Set的语义约束即不能有重复元素。Map中的键是没有重复的所以keySet()返回了一个Set。keySet()、values()、entrySet()有一个共同的特点它们返回的都是视图不是复制的值基于返回值的修改会直接修改Map自身比如 Testpublic void testHashMapView(){HashMapString, String hashMap new HashMap();hashMap.put(name, nwq);hashMap.put(age, 18);hashMap.keySet().clear();assertTrue(hashMap.isEmpty());}hashMap.keySet().clear()会删除所有键值对。
1.2 基本用法
HashMap实现了Map接口我们通过一个简单的例子来看如何使用。我们写一个程序来看随机产生的数是否均匀。比如随机产生 1000 1000 1000个 0 ∼ 3 0\sim3 0∼3的数统计每个数的次数代码如下所示 Testpublic void testHashMapBasics() {Random rnd new Random(150);MapInteger, Integer countMap new HashMap();for (int i 0; i 1000; i) {int num rnd.nextInt(4);Integer count countMap.get(num);if (count null) {countMap.put(num, 1);} else {countMap.put(num, count 1);}}StringBuilder stringBuilder new StringBuilder();for (Map.EntryInteger, Integer kv : countMap.entrySet()) {stringBuilder.append(kv.getKey() , kv.getValue() , );}assertTrue(0, 253, 1, 230, 2, 243, 3, 274, .equals(stringBuilder.toString()));}次数分别是 253 253 253、 230 230 230、 243 243 243、 274 274 274。
除了默认构造方法 HashMap还有如下构造方法
public HashMap(int initialCapacity)
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
public HashMap(Map? extends K, ? extends V m)最后一个以一个已有的Map构造复制其中的所有键值对到当前Map。前两个涉及参数initialCapacity和loadFactor它们是什么意思呢我们需要看下HashMap的实现原理。
1.3 实现原理
我们看下HashMap的内部组成以及主要的方法代码基于java 17分析。
1.3.1 内部组成
HashMap内部有如下几个主要的实例变量 /*** The table, initialized on first use, and resized as* necessary. When allocated, length is always a power of two.* (We also tolerate length zero in some operations to allow* bootstrapping mechanics that are currently not needed.)*/transient NodeK,V[] table;/*** The number of key-value mappings contained in this map.*/transient int size;/*** The next size value at which to resize (capacity * load factor).** serial*/int threshold;/*** The load factor for the hash table.** serial*/final float loadFactor;size表示实际键值对的个数。table是一个Node类型的数组称为哈希表或哈希桶其中的每个元素指向一个单向链表链表中的每个节点表示一个键值对。Node是一个内部类它的实例变量和构造方法代码如下 /*** Basic hash bin node, used for most entries. (See below for* TreeNode subclass, and in LinkedHashMap for its Entry subclass.)*/static class NodeK,V implements Map.EntryK,V {final int hash;final K key;V value;NodeK,V next;Node(int hash, K key, V value, NodeK,V 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;return o instanceof Map.Entry?, ? e Objects.equals(key, e.getKey()) Objects.equals(value, e.getValue());}}其中key和value分别表示键和值next指向下一个Node节点hash是key的hash值待会我们会讨论其计算方法。直接存储hash值是为了在比较的时候加快计算。table的初始值为null。在添加键值时如果table为null那么会调用resize()对table进行扩展扩展的策略类似于ArrayList。添加第一个元素时默认分配的大小为 16 16 16不过并不是size大于 16 16 16时再进行扩展下次什么时候扩展与threshold有关。threshold表示阈值当键值对个数size大于等于threshold时考虑进行扩展。threshold是怎么算出来的呢一般而言threshold等于table.length乘以loadFactor。比如如果table.length为 16 16 16loadFactor为 0.75 0.75 0.75则threshold为 12 12 12。loadFactor是负载因子表示整体上table被占用的程度是一个浮点数默认为 0.75 0.75 0.75可以通过构造方法public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)进行修改。
1.3.2 构造方法
默认构造方法的代码为 /*** Constructs an empty {code 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}DEFAULT_LOAD_FACTOR为 0.75 0.75 0.75。可以看到并没有给threshold赋值threshold赋值后移到第一次put中给定的值是DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY0.75*1612。
还有一个构造函数HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)。 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);this.loadFactor loadFactor;this.threshold tableSizeFor(initialCapacity);}从上述代码中可以知道loadFactor给定多少就是多少threshold值调用了tableSizeFor函数代码如下 /*** Returns a power of two size for the given target capacity.*/static final int tableSizeFor(int cap) {int n -1 Integer.numberOfLeadingZeros(cap - 1);return (n 0) ? 1 : (n MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n 1;}tableSizeFor返回一个大于且最接近给定cap 2 2 2的幂次方数什么意思呢比如
cap幂次方数tableSizeFor返回值7 2 3 8 2^38 23888 2 3 8 2^38 23889 2 4 16 2^416 24161610 2 4 16 2^416 241616
对于 7 7 7最接近 2 2 2的幂次方数为 8 8 8指数为 3 3 3。
1.3.3 保存键值对
下面我们来看HashMap是如何把一个键值对保存起来的代码如下所示 public V put(K key, V value) {return putVal(hash(key), key, value, false, true);}执行putVal之前调用了hash方法计算key的hash值代码如下 /*** Computes key.hashCode() and spreads (XORs) higher bits of hash* to lower. Because the table uses power-of-two masking, sets of* hashes that vary only in bits above the current mask will* always collide. (Among known examples are sets of Float keys* holding consecutive whole numbers in small tables.) So we* apply a transform that spreads the impact of higher bits* downward. There is a tradeoff between speed, utility, and* quality of bit-spreading. Because many common sets of hashes* are already reasonably distributed (so dont benefit from* spreading), and because we use trees to handle large sets of* collisions in bins, we just XOR some shifted bits in the* cheapest possible way to reduce systematic lossage, as well as* to incorporate impact of the highest bits that would otherwise* never be used in index calculations because of table bounds.*/static final int hash(Object key) {int h;return (key null) ? 0 : (h key.hashCode()) ^ (h 16);}这里需要注意的是key是支持为null的当为null时计算的hash值为 0 0 0将会被存储在HashMap的第一个位置上即Table数组的第一个位置上。
调用内部函数putVal的代码如下所示 /*** Implements Map.put and related methods.** param hash hash for key* param key the key* param value the value to put* param onlyIfAbsent if true, dont change existing value* param evict if false, the table is in creation mode.* return previous value, or null if none*/final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {NodeK,V[] tab; NodeK,V p; int n, i;if ((tab table) null || (n tab.length) 0)n (tab resize()).length;if ((p tab[i (n - 1) hash]) null)tab[i] newNode(hash, key, value, null);else {NodeK,V e; K k;if (p.hash hash ((k p.key) key || (key ! null key.equals(k))))e p;else if (p instanceof TreeNode)e ((TreeNodeK,V)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {for (int binCount 0; ; binCount) {if ((e p.next) null) {p.next newNode(hash, key, value, null);if (binCount TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash hash ((k e.key) key || (key ! null key.equals(k))))break;p e;}}if (e ! null) { // existing mapping for keyV oldValue e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue null)e.value value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}modCount;if (size threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null;}如果是第一次保存首先调用resize方法给table分配实际的空间 /*** Initializes or doubles table size. If null, allocates in* accord with initial capacity target held in field threshold.* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the* elements from each bin must either stay at same index, or move* with a power of two offset in the new table.** return the table*/final NodeK,V[] resize() {NodeK,V[] oldTab table;int oldCap (oldTab null) ? 0 : oldTab.length;int oldThr threshold;int newCap, newThr 0;if (oldCap 0) {if (oldCap MAXIMUM_CAPACITY) {threshold Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}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 thresholdnewCap oldThr;else { // zero initial threshold signifies using defaultsnewCap 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);}threshold newThr;SuppressWarnings({rawtypes,unchecked})NodeK,V[] newTab (NodeK,V[])new Node[newCap];table newTab;if (oldTab ! null) {for (int j 0; j oldCap; j) {NodeK,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)((TreeNodeK,V)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // preserve orderNodeK,V loHead null, loTail null;NodeK,V hiHead null, hiTail null;NodeK,V next;do {next e.next;if ((e.hash oldCap) 0) {if (loTail null)loHead e;elseloTail.next e;loTail e;}else {if (hiTail null)hiHead e;elsehiTail.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;}}}}}return newTab;}默认情况下capacity的值为 16 16 16threshold会变为 12 12 12table会分配一个长度为 16 16 16的Node数组。
接下来计算i (n - 1) hash计算应该将这个键值对放到table的哪个位置。HashMap中length为 2 2 2的幂次方 (n - 1) hash等同于求模运算h%length。找到了保存位置itable[i]指向一个单向链表。接下来就是在这个链表中逐个查找是否已经有这个键了遍历代码为 for (int binCount 0; ; binCount) {if ((e p.next) null) {p.next newNode(hash, key, value, null);if (binCount TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash hash ((k e.key) key || (key ! null key.equals(k))))break;p e;}比较的时候是先比较hash值hash相同的时候再比较key或者使用equals方法进行比较代码为
if (e.hash hash ((k e.key) key || (key ! null key.equals(k))))为什么要先比较hash呢因为hash是整数比较的性能一般要比equals高很多hash不同就没有必要调用equals方法了这样整体上可以提高比较性能。如果能找到直接修改Node中的value即可。modCount的含义与ArrayList和LinkedList中介绍一样为记录修改次数方便在迭代中检测结构性变化。如果没找到则调用newNode方法在给定的位置添加一条代码如下所示
p.next newNode(hash, key, value, null)我们发现在添加后会检查一下binCount TREEIFY_THRESHOLD - 1如果成立那么会调用treeifyBin(tab, hash)这是何意呢首先看下treeifyBin(tab, hash)代码如下所示 /*** Replaces all linked nodes in bin at index for given hash unless* table is too small, in which case resizes instead.*/final void treeifyBin(NodeK,V[] tab, int hash) {int n, index; NodeK,V e;if (tab null || (n tab.length) MIN_TREEIFY_CAPACITY)resize();else if ((e tab[index (n - 1) hash]) ! null) {TreeNodeK,V hd null, tl null;do {TreeNodeK,V p replacementTreeNode(e, null);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);}}当链表上节点的数量超过MIN_TREEIFY_CAPACITY64时hash表中的链表就会转为红黑树结构以增加查找效率。
在putVal函数增加键值对之后会调用resize()函数函数代码如下所示 /*** Initializes or doubles table size. If null, allocates in* accord with initial capacity target held in field threshold.* Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the* elements from each bin must either stay at same index, or move* with a power of two offset in the new table.** return the table*/final NodeK,V[] resize() {NodeK,V[] oldTab table;int oldCap (oldTab null) ? 0 : oldTab.length;int oldThr threshold;int newCap, newThr 0;if (oldCap 0) {if (oldCap MAXIMUM_CAPACITY) {threshold Integer.MAX_VALUE;return oldTab;}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 thresholdnewCap oldThr;else { // zero initial threshold signifies using defaultsnewCap 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);}threshold newThr;SuppressWarnings({rawtypes,unchecked})NodeK,V[] newTab (NodeK,V[])new Node[newCap];table newTab;if (oldTab ! null) {for (int j 0; j oldCap; j) {NodeK,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)((TreeNodeK,V)e).split(this, newTab, j, oldCap);else { // preserve orderNodeK,V loHead null, loTail null;NodeK,V hiHead null, hiTail null;NodeK,V next;do {next e.next;if ((e.hash oldCap) 0) {if (loTail null)loHead e;elseloTail.next e;loTail e;}else {if (hiTail null)hiHead e;elsehiTail.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;}}}}}return newTab;}如果空间不够即size已经要超过阈值threshold了并且对应的table位置已经插入过对象了分配一个容量为原来两倍的Node数组并将将原来的键值对移植过来。
1.3.4 查找方法
根据键获取值的get方法的代码为 public V get(Object key) {NodeK,V e;return (e getNode(key)) null ? null : e.value;}调用了getNode(Object key)函数代码如下所示 /*** Implements Map.get and related methods.** param key the key* return the node, or null if none*/final NodeK,V getNode(Object key) {NodeK,V[] tab; NodeK,V first, e; int n, hash; K k;if ((tab table) ! null (n tab.length) 0 (first tab[(n - 1) (hash hash(key))]) ! null) {if (first.hash hash // always check first node((k first.key) key || (key ! null key.equals(k))))return first;if ((e first.next) ! null) {if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNodeK,V)first).getTreeNode(hash, key);do {if (e.hash hash ((k e.key) key || (key ! null key.equals(k))))return e;} while ((e e.next) ! null);}}return null;}getNode处理的逻辑如下 判断table不为null且数组长度大于零并且数组第一个元素不为null否则直接返回null在计算第一个元素时计算了key的hash值代码为 if ((tab table) ! null (n tab.length) 0 (first tab[(n - 1) (hash hash(key))]) ! null)检查第一个节点是否是目标如果是则返回代码为 if (first.hash hash // always check first node((k first.key) key || (key ! null key.equals(k))))return first;判断第一个节点是链表节点还是树节点如果是树节点则走树的查找代码否则按照顺序遍历;链表剩余的节点直到找到为止 if ((e first.next) ! null) {if (first instanceof TreeNode)return ((TreeNodeK,V)first).getTreeNode(hash, key);do {if (e.hash hash ((k e.key) key || (key ! null key.equals(k))))return e;} while ((e e.next) ! null);}1.3.5 根据键删除键值对
根据键删除键值对的代码为 /*** Removes the mapping for the specified key from this map if present.** param key key whose mapping is to be removed from the map* return the previous value associated with {code key}, or* {code null} if there was no mapping for {code key}.* (A {code null} return can also indicate that the map* previously associated {code null} with {code key}.)*/public V remove(Object key) {NodeK,V e;return (e removeNode(hash(key), key, null, false, true)) null ?null : e.value;}removeNode的代码为 /*** Implements Map.remove and related methods.** param hash hash for key* param key the key* param value the value to match if matchValue, else ignored* param matchValue if true only remove if value is equal* param movable if false do not move other nodes while removing* return the node, or null if none*/final NodeK,V removeNode(int hash, Object key, Object value,boolean matchValue, boolean movable) {NodeK,V[] tab; NodeK,V p; int n, index;if ((tab table) ! null (n tab.length) 0 (p tab[index (n - 1) hash]) ! null) {NodeK,V node null, e; K k; V v;if (p.hash hash ((k p.key) key || (key ! null key.equals(k))))node p;else if ((e p.next) ! null) {if (p instanceof TreeNode)node ((TreeNodeK,V)p).getTreeNode(hash, key);else {do {if (e.hash hash ((k e.key) key ||(key ! null key.equals(k)))) {node e;break;}p e;} while ((e e.next) ! null);}}if (node ! null (!matchValue || (v node.value) value ||(value ! null value.equals(v)))) {if (node instanceof TreeNode)((TreeNodeK,V)node).removeTreeNode(this, tab, movable);else if (node p)tab[index] node.next;elsep.next node.next;modCount;--size;afterNodeRemoval(node);return node;}}return null;}基本逻辑分析如下。 判断table不为null且数组长度大于零并且数组第一个元素不为null否则直接返回null代码为 if ((tab table) ! null (n tab.length) 0 (p tab[index (n - 1) hash]) ! null)判断第一个节点是否是目标节点如果是则j记录查找节点代码为 if (p.hash hash ((k p.key) key || (key ! null key.equals(k))))node p;判断第一个节点是链表节点还是树节点如果是树节点则走树的查找代码如果是链表则顺序遍历直到找到为止 else if ((e p.next) ! null) {if (p instanceof TreeNode)node ((TreeNodeK,V)p).getTreeNode(hash, key);else {do {if (e.hash hash ((k e.key) key ||(key ! null key.equals(k)))) {node e;break;}p e;} while ((e e.next) ! null);}}删除找到的节点 if (node ! null (!matchValue || (v node.value) value ||(value ! null value.equals(v)))) {if (node instanceof TreeNode)((TreeNodeK,V)node).removeTreeNode(this, tab, movable);else if (node p)tab[index] node.next;elsep.next node.next;modCount;--size;afterNodeRemoval(node);return node;}1.4 小结
HashMap内部有一个哈希表即数组table每个元素table[i]指向一个单向链表或红黑树根据键存取值用键算出hash值取模得到数组中的索引位置buketIndex然后操作table[buketIndex]指向的单向链表。存取的时候依据键的hash值只在对应的链表中操作不会访问别的链表在对应链表操作时也是先比较hash值如果相同再用equals方法比较。这就要求相同的对象其hashCode返回值必须相同如果键是自定义的类就特别需要注意这一点。这也是hashCode和equals方法的一个关键约束。需要说明的是Java 8对HashMap的实现进行了优化在哈希冲突比较严重的情况下即大量元素映射到同一个链表的情况下具体是至少 8 8 8个元素且总的键值对个数至少是 64 64 64Java 8会将该链表转换为一个红黑树以提高查询的效率。
HashMap实现了Map接口可以方便地按照键存取值内部使用数组链表和哈希的方式进行实现这决定了它有如下特点
根据键保存和获取值的效率都很高为 O ( 1 ) O(1) O(1)每个单向链表往往只有一个或少数几个节点根据hash值就可以直接快速定位HashMap中的键值对没有顺序因为hash值是随机的。
如果经常需要根据键存取值而且不要求顺序那么HashMap就是理想的选择。如果要保持添加的顺序可以使用HashMap的一个子类LinkedHashMap。Map还有一个重要的实现类TreeMap它可以排序。需要说明的是HashMap不是线程安全的Java中还有一个类Hashtable它是Java最早实现的容器类之一实现了Map接口实现原理与HashMap类似但没有特别的优化它内部通过synchronized实现了线程安全。在HashMap中键和值都可以为null而在Hashtable中不可以。在不需要并发安全的场景中推荐使用HashMap。在高并发的场景中推荐使用ConcurrentHashMap。 马俊昌.Java编程的逻辑[M].北京:机械工业出版社,2018. ↩︎ 尚硅谷教育.剑指Java核心原理与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2023. ↩︎
