JDK源码笔记-java.util.HashMap

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HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>(); 
 map.put("语文" , 80.0); 
 map.put("数学" , 89.0); 
 map.put("英语" , 78.2);

我们可以看 HashMap 类的 put(K key , V value) 方法的源代码：

public V put(K key, V value) 
 { 
	 // 如果 key 为 null，调用 putForNullKey 方法进行处理
	 if (key == null) 
		 return putForNullKey(value); 
	 // 根据 key 的 keyCode 计算 Hash 值
	 int hash = hash(key.hashCode()); 
	 // 搜索指定 hash 值在对应 table 中的索引
 	 int i = indexFor(hash, table.length);
	 // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素
	 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
	 { 
		 Object k; 
		 // 找到指定 key 与需要放入的 key 相等（hash 值相同
		 // 通过 equals 比较放回 true）
		 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
			 || key.equals(k))) 
		 { 
			 V oldValue = e.value; 
			 e.value = value; 
			 e.recordAccess(this); 
			 return oldValue; 
		 } 
	 } 
	 // 如果 i 索引处的 Entry 为 null，表明此处还没有 Entry 
	 modCount++; 
	 // 将 key、value 添加到 i 索引处
	 addEntry(hash, key, value, i); 
	 return null; 
 }

final int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        h ^= k.hashCode();

        // 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);
    }

对于任意给定的对象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 Hash 码值总是相同的。接下来程序会调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下：

static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

这个方法非常巧妙，它总是通过 h &(table.length -1) 来得到该对象的保存位置——而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方，这一点可参看后面关于 HashMap 构造器的介绍。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
{ 
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry 
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; 	 // ①
    // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处，并让新的 Entry 指向原来的 Entry 
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); 
    // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限
    if (size++ >= threshold) 
        // 把 table 对象的长度扩充到 2 倍。
        resize(2 * table.length); 	 // ②
}

上面方法的代码很简单，但其中包含了一个非常优雅的设计：系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象，那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象（产生一个 Entry 链），如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象，也就是上面程序①号代码的 e 变量是 null，也就是新放入的 Entry 对象指向 null，也就是没有产生 Entry 链。

// 以指定初始化容量、负载因子创建 HashMap 
 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 
 { 
	 // 初始容量不能为负数
	 if (initialCapacity < 0) 
		 throw new IllegalArgumentException( 
		"Illegal initial capacity: " + 
			 initialCapacity); 
	 // 如果初始容量大于最大容量，让出示容量
	 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) 
		 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; 
	 // 负载因子必须大于 0 的数值
	 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) 
		 throw new IllegalArgumentException( 
		 loadFactor); 
	 // 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
	 int capacity = 1; 
	 while (capacity < initialCapacity) 
		 capacity <<= 1; 
	 this.loadFactor = loadFactor; 
	 // 设置容量极限等于容量 * 负载因子
	 threshold = (int)(capacity * loadFactor); 
	 // 初始化 table 数组
	 table = new Entry[capacity]; 			 // ①
	 init(); 
 }

上面代码中粗体字代码包含了一个简洁的代码实现：找出大于 initialCapacity 的、最小的 2 的 n 次方值，并将其作为 HashMap 的实际容量（由 capacity 变量保存）。例如给定 initialCapacity 为 10，那么该 HashMap 的实际容量就是 16。

无论何时，HashMap 的每个“桶”只存储一个元素（也就是一个 Entry），由于 Entry 对象可以包含一个引用变量（就是 Entry 构造器的的最后一个参数）用于指向下一个 Entry，因此可能出现的情况是：HashMap 的 bucket 中只有一个 Entry，但这个 Entry 指向另一个 Entry ——这就形成了一个 Entry 链。如图 1 所示：

图 1. HashMap 的存储示意

HashMap 的读取实现

当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ——也就是没有通过指针产生 Entry 链时，此时的 HashMap 具有最好的性能：当程序通过 key 取出对应 value 时，系统只要先计算出该 key 的 hashCode() 返回值，在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引，然后取出该索引处的 Entry，最后返回该 key 对应的 value 即可。看 HashMap 类的 get(K key) 方法代码：

public V get(Object key) 
 { 
	 // 如果 key 是 null，调用 getForNullKey 取出对应的 value 
	 if (key == null) 
		 return getForNullKey(); 
	 // 根据该 key 的 hashCode 值计算它的 hash 码
	 int hash = hash(key.hashCode()); 
	 // 直接取出 table 数组中指定索引处的值，
	 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
		 e != null; 
		 // 搜索该 Entry 链的下一个 Entr 
		 e = e.next) 		 // ①
	 { 
		 Object k; 
		 // 如果该 Entry 的 key 与被搜索 key 相同
		 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
			 || key.equals(k))) 
			 return e.value; 
	 } 
	 return null; 
 }

从上面代码中可以看出，如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时，HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry；在发生“Hash 冲突”的情况下，单个 bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），那系统必须循环到最后才能找到该元素。

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