再也不怕面试官问我Jdk8 HashMap了

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上一篇文章中提到了ThreadLocalMap是使用开放地址法来解决冲突问题的,而我们今天的主角HashMap是采用了链表法来处理冲突的,什么是链表法呢?

再也不怕面试官问我Jdk8 HashMap了
jdk8链表法

在散列表中,每个 “桶(bucket)” 或者 “槽(slot)” 会对应一条链表,所有散列值相同的元素我们都放到相同槽位对应的链表中。

jdk8和jdk7不一样,jdk7中没有红黑树,数组中只挂载链表。而jdk8中在桶容量大于等于64且链表节点数大于等于8的时候转换为红黑树。当红黑树节点数量小于6时又会转换为链表。

插入

但插入的时候,我们只需要通过散列函数计算出对应的槽位,将其插入到对应链表或者红黑树即可。如果此时元素数量超过了一定值则会进行扩容,同时进行rehash.

查找或者删除

通过散列函数计算出对应的槽,然后遍历链表或者删除

链表为什么会转为红黑树?

上一篇文章有提到过通过装载因子来判定空闲槽位还有多少,如果超过装载因子的值就会动态扩容,HashMap会扩容为原来的两倍大小(初始容量为16,即槽(数组)的大小为16)。

但是无论负载因子和散列函数设得再合理,也避免不了链表过长的情况,一旦链表过长查找和删除元素就比较耗时,影响HashMap性能,所以JDK8中对其进行了优化。

当链表长度大于等于8的时候将链表转换为红黑树,利用红黑树的特点(查找、插入、删除的时间复杂度最坏为O(logn)),可以提高HashMap的性能。当节点个数少于6个的时候,又会将红黑树转化为链表。

因为在数据量较小的情况下,红黑树要维持平衡,比起链表来,性能上的优势并不明显,而且编码难度比链表要大上不少。

源码分析

构造方法以及重要属性

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor);

public HashMap(int initialCapacity);

public HashMap();

HashMap的构造方法中可以分别指定初始化容量(bucket大小)以及负载因子,如果不指定默认值分别是16和0.75.它几个重要属性如下:

// 初始化容量,必须要2的n次幂
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4// aka 16

// 负载因子默认值
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

// 需要从链表转换为红黑树时,链表节点的最小长度
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;

// 转换为红黑树时数组的最小容量
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

// resize操作时,红黑树节点个数小于6则转换为链表。
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

// HashMap阈值,用于判断是否需要扩容(threshold = 容量*loadFactor)
int threshold;

// 负载因子
final float loadFactor;

// 链表节点
static class Node<K,Vimplements Map.Entry<K,V{
  final int hash;
  final K key;
  V value;
  Node<K,V> next;

}

// 保存数据的数组
transient Node<K,V>[] table;

// 红黑树节点
static final class TreeNode<K,Vextends LinkedHashMap.Entry<K,V{
  TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
  TreeNode<K,V> left;
  TreeNode<K,V> right;
  TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
  boolean red;
}

上面的table就是存储数据的数组(可以叫做桶或者槽),数组挂载的是链表或者红黑树。值得一提的是构造HashMap的时候并没有初始化数组容量,而是在第一次put元素的时候才进行初始化的。

hash函数的设计

int hash = (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
int index = hash & (tab.length-1);

从上面可以看出,key为null是时候放到数组中的第一个位置的,我们一般定位key应当存放在数组哪个位置的时候一般是这样做的key.hashCode() % tab.length。但是当tab.length是2的n次幂的时候,就可以转换为 A % B = A & (B-1);所以 index = hash & (tab.length-1)就可以理解了。

这里是使用了除留余数法的理念来设计的,可以可能减少hash冲突
除留余数法 : 用关键字K除以某个不大于hash表长度m的数p,将所得余数作为hash表地址
比如x/8=x>>3,即把x右移3位,得到了x/8的商,被移掉的部分(后三位),则是x%8,也就是余数。

而对于hash值的运算为什么是(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)呢?

也就是为什么要向右移16位呢?直接使用 key.hashCode() & (tab.length -1)不好吗?
如果这样做,由于tab.length肯定是远远小于hash值的,所以位运算的时候只有低位才参与运算,而高位毫无作为,会带来hash冲突的风险。

而hashcode本身是一个32位整形值,向右移位16位之后再进行异或运行计算出来的整形将具有高位和低位的性质,就可以得到一个非常随机的hash值,在通过除留余数法,得到的index就更低概率的减少了冲突。

插入数据

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                  boolean evict)
 
{

 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;

 // 1. 如果数组未初始化,则初始化数组
 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;

 // 2. 如果当前节点未被插入数据(未碰撞),则直接new一个节点进行插入
 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
 else {
    Node<K,V> e; K k;

    // 3. 碰撞了,已存在相同的key,则进行覆盖
   if (p.hash == hash &&
       ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
       e = p;
   else if (p instanceof TreeNode)
        // 4. 碰撞后发现为树结构,则挂载在树上
       e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
   else {
       for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
            // 5. 进行尾插入,如果链表节点数达到上线则转换为红黑树
           if ((e = p.next) == null) {
               p.next = newNode(hash, key, value, null);
               if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1// -1 for 1st
                   treeifyBin(tab, hash);
               break;
           }
           // 6. 链表中碰撞了
           if (e.hash == hash &&
               ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
               break;
           p = e;
       }
     }
     // 7. 用新value替换旧的value
     if (e != null) { // existing mapping for key
       V oldValue = e.value;
       if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
           e.value = value;
       afterNodeAccess(e);
       return oldValue;
     }
 }
 ++modCount;

 // 8. 操作阈值则进行扩容
 if (++size > threshold)
     resize();

 // 给LinkedHashMap实现
 afterNodeInsertion(evict);
 return null;
}

简述下put的逻辑,它主要分为以下几个步骤:

  1. 首先判断是否初始化,如果未初始化则初始化数组,初始容量为16

  2. 通过hash&(n-1)获取数组下标,如果该位置为空,表示未碰撞,直接插入数据

  3. 发生碰撞且存在相同的key,则在后面处理中直接进行覆盖

  4. 碰撞后发现为树结构,则直接挂载到红黑树上

  5. 碰撞后发现为链表结构,则进行尾插入,当链表容量大于等于8的时候转换为树节点

  6. 发现在链表中进行碰撞了,则在后面处理直接覆盖

  7. 发现之前存在相同的key,只直接用新值替换旧值

  8. map的容量(存储元素的数量)大于阈值则进行扩容,扩容为之前容量的2倍

扩容

resize()方法中,如果发现当前数组未初始化,则会初始化数组。如果已经初始化,则会将数组容量扩容为之前的两倍,同时进行rehash(将旧数组的数据移动到新的数组)。

JDK8的rehash过程很有趣,相比JDK7做了不少优化,我们来看下这里的rehash过程。

// 数组扩容为之前2倍大小的代码省略,这里主要分析rehash过程。

if (oldTab != null) {
 // 遍历旧数组
 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
   Node<K,V> e;
   if ((e = oldTab[j]) != null) {
     oldTab[j] = null;

     // 1. 如果旧数组中不存在碰撞,则直接移动到新数组的位置
     if (e.next == null)
        newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
     else if (e instanceof TreeNode)
        // 2. 如果存在碰撞,且节点类型是树节点,则进行树节点拆分(挂载到扩容后的数组中或者转为链表)
        ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
     else { // preserve order

        // 3. 处理冲突是链表的情况,会保留原有节点的顺序

       Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
       Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
       Node<K,V> next;
       do {
         next = e.next;
         // 4. 判断扩容后元素是否在原有的位置(这里非常巧妙,下面会分析)
         if ((e.hash & oldCap) == 0) {
           if (loTail == null)
               loHead = e;
           else
               loTail.next = e;
           loTail = e;
         }

         // 5. 元素不是在原有位置
         else {
           if (hiTail == null)
               hiHead = e;
           else
               hiTail.next = e;
           hiTail = e;
         }
       } while ((e = next) != null);

       // 6. 将扩容后未改变index的元素复制到新数组
       if (loTail != null) {
         loTail.next = null;
         newTab[j] = loHead;
       }

       // 7. 将扩容后改变了index位置的元素复制到新数组
       if (hiTail != null) {
         hiTail.next = null;
         // 8. index改变后,新的下标是j+oldCap,这里也很巧妙,下面会分析
         newTab[j + oldCap] = hiHead;
       }
     }
   }
 }
}

上面的代码中展现了整个rehash的过程,先遍历旧数组中的元素,接着做下面的事情

  1. 如果旧数组中不存在数据碰撞(未挂载链表或者红黑树),那么直接将元素赋值到新数组中,其中index=e.hash &amp; (newCap - 1)

  2. 如果存在碰撞,且节点类型是树节点,则进行树节点拆分(挂载到扩容后的数组中或者转为链表)。

  3. 如果存在碰撞,且节点是链表,则处理链表的情况,rehash过程会保留节点原始顺序(JDK7中不会保留,这也是导致jdk7中多线程出现死循环的原因)。

  4. 判断元素在扩容后是否还处于原有的位置,这里通过(e.hash &amp; oldCap) == 0判断,oldCap表示扩容前数组的大小。

  5. 发现元素不是在原有位置,更新hiTail和hiHead的指向关系。

  6. 将扩容后未改变index的元素复制到新数组。

  7. 将扩容后改变了index位置的元素复制到新数组,新数组的下标是 j + oldCap

其中第4点和第5点中将链表的元素分为两部分(do..while部分),一部分是rehash后index未改变的元素,一部分是index被改变的元素。分别用两个指针来指向头尾节点。

比如当oldCap=8时,1-->9-->17都挂载在tab[1]上,而扩容后,1-->17挂载在tab[1]上,9挂载在tab[9]上。

那么是如何确定rehash后index是否被改变呢?改变之后的index又变成了多少呢?

这里的设计很是巧妙,还记得HashMap中数组大小是2的n次幂吗?当我们计算索引位置的时候,使用的是 e.hash & (tab.length -1)。

这里我们讨论数组大小从8扩容到16的过程。

tab.length -1 = 7     0 0 1 1 1
e.hashCode = x      0 x x x x
==============================
                     0 0 y y y  

可以发现在扩容前index的位置由hashCode的低三位来决定。那么扩容后呢?

tab.length -1 = 15   0 1 1 1 1
e.hashCode = x        x x x x x
==============================
                      0 z y y y

扩容后,index的位置由低四位来决定,而低三位和扩容前一致。也就是说扩容后index的位置是否改变是由高字节来决定的,也就是说我们只需要将hashCode和高位进行运算即可得到index是否改变。

而刚好扩容之后的高位和oldCap的高位一样。如上面的15二进制是1111,而8的二进制是1000,他们的高位都是一样的。所以我们通过e.hash & oldCap运算的结果即可判断index是否改变。

同理,如果扩容后index该变了。新的index和旧的index的值也是高位不同,其新值刚好是 oldIndex + oldCap的值。所以当index改变后,新的index是 j + oldCap。

至此,resize方法结束,元素被插入到了该有的位置。

get()

get()的方法就相对来说要简单一些了,它最重要的就是找到key是存放在哪个位置

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
  Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;

  // 1. 首先(n-1) & hash确定元素位置
  if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
      (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

      // 2. 判断第一个元素是否是我们需要找的元素
      if (first.hash == hash &&
          ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
          return first;
      if ((e = first.next) != null) {
        // 3. 节点如果是树节点,则在红黑树中寻找元素
        if (first instanceof TreeNode)
            return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
        4. 在链表中寻找对应的节点
        do {
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        } while ((e = e.next) != null);
      }
  }
  return null;
}

remove

remove方法寻找节点的过程和get()方法寻找节点的过程是一样的,这里我们主要分析寻找到节点后是如何处理的

if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
    (value != null && value.equals(v)))) {
    // 1. 删除树节点,删除时如果不平衡会重新移动节点位置
    if (node instanceof TreeNode)
        ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
    // 删除的节点是链表第一个节点,则直接将第二个节点赋值为第一个节点
    else if (node == p)
        tab[index] = node.next;
    // 删除的节点是链表的中间节点,这里的p为node的prev节点
    else
        p.next = node.next;
    ++modCount;
    --size;
    afterNodeRemoval(node);
    return node;
}

remove方法中,最为复杂的部分应该是removeTreeNode部分,因为删除红黑树节点后,可能需要退化为链表节点,还可能由于不满足红黑树特点,需要移动节点位置。
代码也比较多,这里就不贴上来了。但也因此佐证了为什么不全部使用红黑树来代替链表。

JDK7扩容时导致的死循环问题

/**
* Transfers all entries from current table to newTable.
*/

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 {
           // B线程执行到这里之后就暂停了
           Entry<K,V> next = e.next;
           int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
           e.next = newTable[i];
           newTable[i] = e;
           e = next;
       } while (e != null);
   }
 }
}

扩容时上面的代码容易导致死循环,是怎样导致的呢?假设有两个线程A和B都在执行这一段代码,数组大小由2扩容到4,在扩容前tab[1]=1-->5-->9。

再也不怕面试官问我Jdk8 HashMap了
扩容前

当B线程执行到 next = e.next时让出时间片,A线程执行完整段代码但是还没有将内部的table设置为新的newTable时,线程B继续执行。

此时A线程执行完成之后,挂载在tab[1]的元素是9-->5-->1,注意这里的顺序被颠倒了。此时e = 1, next = 5;

tab[i]按照循环次数变更顺序

  1. tab[i]=1

  2. tab[i]=5-->1

  3. tab[i]=9-->5-->1

再也不怕面试官问我Jdk8 HashMap了
线程A执行完成后

同样B线程我们也按照循环次数来分析

  1. 第一次循环执行完成后,newTable[i]=1, e = 5

  2. 第二次循环完成后: newTable[i]=5-->1, e = 1。

  3. 第三次循环,e没有next,所以next指向null。当执行e.next = newTable[i](1-->5)的时候,就形成了 1-->5-->1的环,再执行newTable[i]=e,此时newTable[i] = 1-->5-->1。

当在数组该位置get寻找对应的key的时候,就发生了死循环,引起CPU 100%问题。

再也不怕面试官问我Jdk8 HashMap了
线程B执行扩容过程

而JDK8就不会出现这个问题,它在这里就有一个优化,它使用了两个指针来分别指向头节点和尾节点,而且还保证了元素原本的顺序。


当然HashMap仍然是不安全的,所以在多线程并发条件下推荐使用ConcurrentHashMap。


原文始发于微信公众号(早晚程序员):再也不怕面试官问我Jdk8 HashMap了