结构
数组+链表+红黑树
- 数组:Node数组,集合元素实际存储位置
- 链表:哈希冲突,形成的哈希冲突链
- 红黑树,树上还维护着一个双向链表
- 哈希冲突链上的节点数量到达8,且集合中全部元素个数超过64,链表转化成红黑树
- 红黑树上节点个数少于6,红黑树自动转化为链表
// 默认的初始容量-必须是2的幂
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
* 集合的最大容量,如果两个带参数的构造函数中的任何一个隐式指定了更高的值,则使用该值
* 集合容量一定是一个小于等于1<<30的2的幂的整数
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认的负载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 冲突链转换成红黑树的最小节点数,转树的阈值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 红黑树退化成链表的阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
/**
* 被树形化的最小表容量。(否则,如果一个bin中有太多节点,则会调整表的大小。)
* 应该至少为4 * TREEIFY_THRESHOLD,以避免调整大小和树化阈值之间的冲突。
*/
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 表在第一次使用时进行初始化,并根据需要调整大小。分配时,长度总是2的幂
transient Node<K,V>[] table;
// 保存缓存entrySet()。注意keySet()和values()使用了AbstractMap的字段
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
// 集合中存储的key-value对的数量
transient int size;
/**
* 改变HashMap中映射的数量或以其他方式修改其内部结构(例如,rehash)的次数
*
* 用于使HashMap的集合视图上的迭代器快速失效(见ConcurrentModificationException)
*/
transient int modCount;
// 扩容阈值,集合元素数量到达这个值将要进行扩容
int threshold;
// 负载因子
final float loadFactor;
// HashMap的基本bin节点
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next; // 链表
}
// 红黑树节点
static final class TreeNode<K,V> extends 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;
//……
}
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
// 双向链表
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
创建
// 构造具有指定初始容量和加载因子的空HashMap
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;
// tableSizeFor方法计算出一个大于等于initialCapacity的最小的2的幂次方的整数
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
// 构造一个具有指定的初始容量和默认加载因子(0.75)的空HashMap
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
// 构造一个具有默认初始容量(16)和默认加载因子(0.75)的空HashMap
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/**
* 使用与指定Map相同的映射构造一个新的HashMap
* HashMap使用默认的装载因子(0.75)创建,初始容量足以容纳指定映射中的映射
*/
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}
put操作
将指定的值与此map中的指定键关联。如果该map先前包含了该键的映射,则旧值将被替换
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
putVal
// put方法的具体实现
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// table为空,通过resize方法初始化table数组
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 计算索引位置,如果该位置没有元素,直接在该位置新增一个节点
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else { // 该索引位置有元素,遍历查找位置插入新元素
Node<K,V> e; K k;
// 判断p节点的key是否和传入的key相同,相同p节点就是目标节点,就将p赋值给e
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 如果p节点是树节点,调用红黑树的putTreeVal方法插入节点
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else { // 说明是链表节点
// 遍历链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 遍历到链表尾部,插入新元素节点
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 链表元素个数到达转化成树的阈值时,转换成红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// e节点key和传入的key相同,找到目标节点e
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 存在目标节点,使用新的value覆盖该节点旧的oldValue值,并返回oldValue
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
//
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 如果插入节点后集合中节点数目超过扩容阈值,调用resize方法扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
treeifyBin
链表上节点数目到达一定值(默认8)时,链表转化成红黑树
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
// table为空或者table的长度小于最小转换成树的阈值,扩容
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
// 根据hash计算索引,从索引位置的链表头节点开始遍历链表
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
// 将当前链表节点e转成红黑树节点p
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
// tl为null,表示第一次循环
if (tl == null)
// 第一次循环节点赋值给头节点
hd = p;
else { // 不是第一次遍历,处理当前节点的prev属性和上一个节点的next属性
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
/*将table该索引位置赋值为新转的TreeNode的头节点,
如果该节点不为空,则以头节点(hd)为根节点, 构建红黑树*/
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
resize
/**
* 初始化或扩容
* 1、如果table为null,则按照threshold中保留的初始容量进行分配
* i、构造方法执行后Threshold中保存的是table数组的大小,初始化后这个字段存储的是扩容阈值
* 2、扩容,使用2的幂展开,每个bin中的元素必须保持在相同的索引位置,或者在新表中以2的幂偏移量移动
*/
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
// table数组容量>0,将要进行扩容操作
if (oldCap > 0) {
// table容量超过集合最大容量,使用最大容量
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 扩容2倍,如果table容量大于等于默认初始容量,扩容阈值直接也扩大2倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // 扩容阈值翻倍
}
// table数组容量<=0且指定table将要初始化的容量>0,将要使用这个oldThr初始化table数组
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // 没有指定table要初始化的容量,使用默认值
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 设置扩容阈值
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
// 创建一个容量为原来2倍的Node数组,table指向新的数组
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
// 将集合中的元素迁移到新的Node数组中
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
// 原先table数组该索引位置存在元素
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
// 原先table数组中的索引位置只有一个元素
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode) // 红黑树
//
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // 链表
// 存储索引位置为“原索引位置”的节点
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
// 存储索引位置为“原索引位置 + oldCap”的节点
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
// 先组成两个链表(索引位置不变、索引位置=原索引位置+oldCap)
do {
next = e.next;
// 该节点在新表索引位置和在老表索引位置相同
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
// 是链表的第一个节点
if (loTail == null)
loHead = e;
else // 不是第一个节点,追加到链表尾部
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else { // 该节点在新表索引位置 = 在老表索引位置 + oldCap
// 是链表的第一个节点
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else // 不是第一个节点,追加到链表尾部
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);// 遍历结束条件
// 索引位置相同的链表,表头放入新Node数组newTab的对应索引位置
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 索引位置=原索引位置+oldCap的链表,newTab的对应索引位置存储表头hiHead
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
split
将原红黑树拆分为两棵树,如果树节点太小退化成链表(该方法只在resize方法中使用)
原树节点重新拆分到新table中后只可能在两个位置
- 原索引位置
- 原索引位置 + oldCap
前置知识
- 转为红黑树节点后,链表的结构还存在,通过 next 属性维持,红黑树节点在进行操作时都会维护链表的结构,并不是转为红黑树节点,链表结构就不存在了
- 源码中进行红黑树的查找时,会反复用到以下两条规则 【红黑树的特性(左节点 < 根节点 < 右节点)】
- 如果目标节点的 hash 值小于 p 节点的 hash 值,则向 p 节点的左边遍历;否则向 p 节点的右边遍历
- 如果目标节点的 key 值小于 p 节点的 key 值,则向 p 节点的左边遍历;否则向 p 节点的右边遍历
/**
* 将原红黑树拆分为两棵树,如果树节点太小退化成链表(该方法只在resize方法中使用)
* map——this、tab——newTab、index——原tab数组指定索引位置、bit——oldCap
*/
final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) {
TreeNode<K,V> b = this;
// 原索引位置不变
TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null;
// 原索引位置+oldCap
TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
// 迁移到指定位置的节点个数
int lc = 0, hc = 0;
// 红黑树本身也维护了一个链表,可以按照链表方式遍历每个节点
for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) {
// 下一个节点
next = (TreeNode<K,V>)e.next;
// 释放节点,方便垃圾回收
e.next = null;
// 迁移到新数组后索引位置不变
if ((e.hash & bit) == 0) {
// 该节点为第一个节点
if ((e.prev = loTail) == null)
loHead = e;
else // 该节点不是第一个节点,追加到链表尾部
loTail.next = e;
// loTail赋值为新增的节点
loTail = e;
// 记录该索引位置链表的节点个数
++lc;
}
// 迁移到新数组后索引位置 = 原索引位置 + oldCap
else {
if ((e.prev = hiTail) == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
++hc;
}
}
// 索引位置不变的情况,该索引位置中存在元素
if (loHead != null) {
// 元素个数较小,红黑树退化为链表
if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index] = loHead.untreeify(map);
else { // 树化
tab[index] = loHead;
if (hiHead != null) // (else is already treeified)
loHead.treeify(tab);
}
}
if (hiHead != null) {
if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
else {
tab[index + bit] = hiHead;
if (loHead != null)
hiHead.treeify(tab);
}
}
}
untreeify
从红黑树退化到链表
// 这里的this是红黑树
final Node<K,V> untreeify(HashMap<K,V> map) {
Node<K,V> hd = null, tl = null;
// 遍历红黑树自身维护的链表
for (Node<K,V> q = this; q != null; q = q.next) {
// 将红黑树节点转换为普通的Node节点
Node<K,V> p = map.replacementNode(q, null);
// 第一次遍历,这个节点作为头节点
if (tl == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
return hd;
}
// 用于从树节点到普通节点的转换
Node<K,V> replacementNode(Node<K,V> p, Node<K,V> next) {
return new Node<>(p.hash, p.key, p.value, next);
}
treeify
从链表转化为红黑树
// 形成从该节点链接的节点树
final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
TreeNode<K,V> root = null;
// 从调用该方法的节点开始,遍历这个链表
for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
// 下一个节点
next = (TreeNode<K,V>)x.next;
// 左右节点先设置为null
x.left = x.right = null;
// 还没有根节点,当前节点设置为根节点
if (root == null) {
// 根节点没有父节点
x.parent = null;
// 根节点必须是黑色的
x.red = false;
// 设置当前节点为根节点
root = x;
}
// 已经存在根节点
else {
// 当前节点的key值
K k = x.key;
// 当前节点的hash值
int h = x.hash;
Class<?> kc = null;
// 从根节点开始遍历红黑树,x作为目标节点,遍历插入符合条件的位置
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph;
// 目前遍历到的节点p的key值
K pk = p.key;
// 节点p的hash值大于目标节点x的hash值,dir设置为-1,表示向p节点的左边遍历
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
// 节点p的hash值小于目标节点x的hash值,dir设置为1,表示向p节点的右边遍历
else if (ph < h)
dir = 1;
// p、x节点key的hash值相同,开始比较key的值
else if ((kc == null &&
// k没有实现Compareable接口
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
// x节点和p节点的key值相同
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
// 使用自定义的规则比较x、p节点的大小,决定向左还是向右遍历
dir = tieBreakOrder(k, pk);
// 设置当前节点p为x节点的父节点
TreeNode<K,V> xp = p;
// dir<=0向左查找,dir>0向右查找;如果p为null,表示找到最后,这个位置插入x
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
// x节点的父节点为最后一次遍历的p节点
x.parent = xp;
// 向左查找,且p为null,表示x节点为父节点的左节点
if (dir <= 0)
xp.left = x;
// 向右查找,且p为null,表示x节点为父节点的右节点
else
xp.right = x;
/* 进行红黑树的插入平衡
(通过左旋、右旋和改变节点颜色来保证当前树符合红黑树的要求) */
root = balanceInsertion(root, x);
break;
}
}
}
}
// 确保root节点是table索引位置的头节点
moveRootToFront(tab, root);
}
get操作
// 返回指定key在集合中映射的value值,如果集合中不包含该key的映射就返回null
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
// get方法的具体实现
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// key找到索引位置,table索引位置中的元素不为空,找到第一个节点
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
// 如果第一个节点就是我们要找的,直接返回
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
// 遍历冲突链或者红黑树
if ((e = first.next) != null) {
// 节点为树节点,表示该索引位置中的是一颗红黑树
if (first instanceof TreeNode)
// 调用树的遍历方法查找目标
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
// 到达这里,说明索引位置中的是普通冲突链表,遍历查找目标
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
getTreeNode
- 找到根节点
- 从根节点开始遍历树
- 如果当前对象的key与查询的key一致,则返回,否则判断下一个节点是右子节点还是左子节点
- 继续遍历,直到找到对象,找不到返回null
// 从根节点开始遍历树查找
final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) {
return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null);
}
// 从调用该方法的节点开始遍历树,根据hash和key进行比较,规则:左节点 < 父节点 < 右节点
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
// 将调用该方法的节点赋值给p,就是红黑树的根节点
TreeNode<K,V> p = this;
// 从p节点开始向下遍历
do {
int ph, dir; K pk;
TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
// 目标hash值小于p的hash值,说明目标在p的左子树上
if ((ph = p.hash) > h)
p = pl;
// 目标hash值大于p的hash值,说明目标在p的右子树上
else if (ph < h)
p = pr;
// 目标hash值等于p的hash值,且key相同,说明该节点就是目标节点,直接返回该节点
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;
// 左子树为空,遍历右子树
else if (pl == null)
p = pr;
// 右子树为空,遍历左子树
else if (pr == null)
p = pl;
// 比较p节点和k节点
else if ((kc != null ||
(kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
// k<pk,dir<0向左遍历;k>pk,dir>0向右遍历
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
p = (dir < 0) ? pl : pr;
// 右子树上找到了目标节点,返回该节点
else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
return q;
// 右子树上没找到目标节点,遍历左子树
else
p = pl;
} while (p != null);
return null;
}