HashMap 中的容量与扩容实现,细致入微,值的一品!

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前言

  开心一刻  

    巴闭,你的脚缘何会有味道,我后能 闻闻看是就有好吃吃的菜的,嗯~~爸比你的脚臭死啦!! ……

高手过招,招招致命

  JDK1.8 中 HashMap 的底层实现,我相信亲戚亲戚许多人都能说上来个 一二,底层数据特性 数组 + 链表(或红黑树) ,源码如下

/**
 * 数组
 */
transient Node<K,V>[] table;

/**
 * 链表特性
 */
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,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;
        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;
    }
}

/**
 * 红黑树特性
 */
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;
    ...
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  但面试往往会问的比较细,相似下面的容量问题报告 ,亲戚亲戚许多人能答上来几次?

    1、table 的初始化时机是那此已经 ,初始化的 table.length 是几次、阀值(threshold)是几次,实际能容下几次元素

    2、那此已经 触发扩容,扩容已经 的 table.length、阀值各是几次?

    3、table 的 length 为那此是 2 的 n 次幂

    4、求索引的已经 为那此是:h&(length-1),而就有 h&length,更就有 h%length

    5、 Map map = new HashMap(100); 当亲戚亲戚许多人存入几次个元素就有触发map的扩容; Map map1 = new HashMap(1000); 亲戚亲戚许多人存入第 100几次多元素就有触发 map1 扩容吗

    6、为那此加载因子的默认值是 0.75,因此不推荐亲戚亲戚许多人修改

  将会亲戚亲戚许多人平时关注的少,一旦碰上只有 的 连击 + 暴击,亲戚亲戚许多人往往不知所措、无从应对;接下来亲戚亲戚许多人看看后面 的 6 个问题报告 ,是就有真的难到无法理解 ,还是亲戚亲戚许多人严重不足细心、在自信的自我认为

斗智斗勇,见招拆招

  上述的问题报告 ,亲戚亲戚许多人如可去找答案 ? 办法有已经 种,用的最多的,我后能 应该是上网查资料、看别人的博客,但我认为最有效、准确的办法是读源码

  问题报告 1:table 的初始化

    HashMap 的构造办法有如下 4 种

    构造办法 4 和 构造办法 1 实际应用的不多,构造办法 2 直接调用的 1(底层实现删剪一致),构造办法 2 和 构造办法 3 比较常用,而最常用的是构造办法 3;此时亲戚亲戚许多人以构造办法 3 为前提来分析,而构造办法 2 亲戚亲戚许多人则在问题报告 5 中来分析

     使用办法 1 实例化 HashMap 的已经 ,table 并未进行初始化,那 table 是多会儿进行初始化的了 ? 平时亲戚亲戚许多人是如可使用 HashMap 的,先实例化、因此 put、因此进行一种操作,如下

Map<String,Object> map = new HashMap();
map.put("name", "张三");
map.put("age", 21);

// 后续操作
...

    既然实例化的已经 未进行 table 的初始化,那是就有在 put 的已经 初始化的了,亲戚亲戚许多人来确认下

      resize() 初始化 table 或 对 table 进行双倍扩容,源码如下(注意看注释)

/**
 * 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 Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 第一次 put 的已经


,table = null
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = 0
    int oldThr = threshold;                        // threshold=0, oldThr = 0
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {    // 条件不满足,往下走
        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 threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults 走到这里,进行默认初始化
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 = 16, newCap = 16;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);    // newThr = 0.75 * 16 = 12;
    }
    if (newThr == 0) {    // 条件不满足
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;        // threshold = 12; 重置阀值为12
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];     // 初始化 newTab, length = 16;
    table = newTab;            // table 初始化完成, length = 16;
    if (oldTab != null) {    // 此时条件不满足,后续扩容的已经


,走此if分支 将数组元素克隆qq好友好友到新数组
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,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)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.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;    // 新数组
}
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     自此,问题报告 1 的答案就明了了

table 的初始化时机是那此已经


    一般情况下,在第一次 put 的已经


,调用 resize 办法进行 table 的初始化
    
初始化的 table.length 是几次、阀值(threshold)是几次,实际能容下几次元素
    默认情况下,table.length = 16; 指定了 initialCapacity 的情况装在问题报告

 5 中分析
    默认情况下,threshold = 12; 指定了 initialCapacity 的情况装在问题报告

 5 中分析
    默认情况下,能存放 12 个元素,当存放第 13 个元素后进行扩容

  问题报告 2 :table 的扩容

     putVal 源码如下

/**
 * 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, don't 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) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,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 {
        Node<K,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 = ((TreeNode<K,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 1st
                        treeifyBin(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 key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)             // 当size(已存放元素个数) > thrshold(阀值),进行扩容
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}
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    还是调用 resize() 进行扩容,但与初始化时不同(注意看注释)

/**
 * 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 Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 此时的 table != null,oldTab 指向旧的 table
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; // oldCap = table.length; 第一次扩容时是 16
    int oldThr = threshold;                        // threshold=12, oldThr = 12;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {    // 条件满足,走此分支
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&    // oldCap左移一位; newCap = 16 << 1 = 32;
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold            // newThr = 12 << 1 = 24;
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;    // DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4 = 16, newCap = 16;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) {    // 条件不满足
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;        // threshold = newThr = 24; 重置阀值为 24
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];     // 初始化 newTab, length = 32;
    table = newTab;            // table 指向 newTab, length = 32;
    if (oldTab != null) {    // 扩容后,将 oldTab(旧table) 中的元素移到 newTab(新table)中
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,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)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.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;
}
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    自此,问题报告 2 的答案也就清晰了

那此已经


触发扩容,扩容已经


的 table.length、阀值各是几次
    当 size > threshold 的已经


进行扩容
    扩容已经


的 table.length = 旧 table.length * 2,
    扩容已经


的 threshold = 旧 threshold * 2

  问题报告 3、4 :2 的 n 次幂

    table 是几次多数组,只有如可最快的将元素 e 装在数组 ? 当然是找到元素 e 在 table 中对应的位置 index ,因此 table[index] = e; 就好了;如可找到 e 在 table 中的位置了 ? 亲戚亲戚许多人知道只有通过数组下标(索引)操作数组,而数组的下标类型又是  int ,将会 e 是 int 类型,那好说,就直接用 e 来做数组下标(若 e > table.length,则后能 e % table.length 来获取下标),可  key - value 中的 key 类型不一定,已经 亲戚亲戚许多人时要一种统一的办法将 key 转换成  int ,最好是几次多  key 对应几次多唯一的 int (目前还不将会, int有范围限制,对转换办法要求也极高),已经 引入了 hash 办法

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);  // 这里的正确处理,有兴趣的后能

琢磨下;后能

减少碰撞
}

    实现 key 到 int 的转换(关于 hash,本文不展开讨论)。拿到了 key 对应的 int h 已经 ,亲戚亲戚许多人最容易想到的对 value 的  put 和 get 操作你说那此如下

// put
table[h % table.length] = value;

// get
e = table[h % table.length];

    直接取模是亲戚亲戚许多人最容易想到的获取下标的办法,因此最高效的办法吗 ?

    亲戚亲戚许多人知道计算机中的四则运算最终就有转换成二进制的位运算

    亲戚亲戚许多人后能 发现,只有 & 数是1时,& 运算的结果与被 & 数一致

1&1=1;
0&1=0;
1&0=0;
0&0=0;

    这同样适用于多位操作数

1010&1111=1010;      => 10&15=10;
1011&1111=1011;      => 11&15=11;
01010&1000=00000;   => 10&16=0;
01011&1000=00000;   => 11&16=0;

    亲戚亲戚许多人是就有又有所发现: 10 & 16 与 11 & 16 得到的结果一样,也已经 冲突(碰撞)了,只有 10 和 11 对应的 value 会在同几次多链表中,而 table 的一种位置则永远回会有元素,这就因为 table 的空间未得到充分利用,一并还降低了 put 和 get 的传输时延(对比数组和链表);将会是 2 个数进行 & 运算,已经 结果由这几次多数决定,将会亲戚亲戚许多人把这几次多数都做下限制,那得到的结果是就有可控制在亲戚亲戚许多人你后能 的范围内了 ?  亲戚亲戚许多人时要利用好 & 运算的特点,当右边的数的低位二进制是连续的 1 ,且左边是几次多均匀的数(时要 hash 办法实现,尽量保证 key 的 h 唯一),只有得到的结果就比较完美了。低位二进制连续的 1,亲戚亲戚许多人很容易想到 2^n - 1; 而关于左边均匀的数,则通过 hash 办法来实现,这里不做细究了。

    自此,2 的 n 次幂的相关问题报告 就清楚了

table 的 length 为那此是 2 的 n 次幂
    为了利用位运算 & 求 key 的下标

求索引的已经


为那此是:h&(length-1),而就有 h&length,更就有 h%length
    h%length 传输时延不如位运算快
    h&length 会因为 table 的空间得只有利用、降低 table 的操作传输时延

    给各位留个问题报告 :为那此不直接用 2^n-1 作为 table.length ? 欢迎评论区留言

  问题报告 5:指定 initialCapacity

    当亲戚亲戚许多人指定了 initialCapacity,HashMap的构造办法一种许不同,如下所示 

    调用 tableSizeFor 进行 threshold 的初始化

    实在此处初始化的是 threshold,但后面 初始化 table 的已经 ,会将其用于 table 的 length,同就有重置 threshold 为 table.length * loadFactor 

    自此,问题报告 5 也就清楚了

Map map = new HashMap(100); 当亲戚亲戚许多人存入几次个元素就有触发map的扩容
    此时的 table.length = 2^10 = 1024; threshold = 1024 * 0.75 = 768; 已经

存入第 769 个元素时进行扩容

Map map1 = new HashMap(1000); 亲戚亲戚许多人存入第 100几次多元素就有触发 map1 扩容吗
    此时的 table.length = 2^14 = 16384; threshold = 16384 * 0.75 = 12288; 已经

存入第 1001 个元素时回会进行扩容

  问题报告 6:加载因子

为那此加载因子的默认值是 0.75,因此不推荐亲戚亲戚许多人修改
    将会loadFactor太小,只有map中的table时要不断的扩容,扩容是个耗时的过程
    将会loadFactor不多,只有map中table放在了已经

回会扩容,因为冲突不多,正确处理冲突而起的链表只有长,传输时延只有低
    而 0.75 这是几次多折中的值,是几次多比较理想的值

总结

  1、table.length = 2^n,是为了能利用位运算(&)来求 key 的下标,而 h&(length-1) 是为了充分利用 table 的空间,并减少 key 的碰撞

  2、加载因子太小, table 时要不断的扩容,影响 put 传输时延;不多会因为碰撞不多,链表只有长(转红黑树),影响传输时延;0.75 是几次多比较理想的后面 值

  3、table.length = 2^n、hash 办法获取 key 的 h、加载因子 0.75、数组 + 链表(或红黑树),一环扣一环,保证了 key 在 table 中的均匀分配,充分利用了空间,也保证了操作传输时延

    环环相扣的,而就有心血来潮的随意正确处理;缺了一环,一种的环就无意义了!

  4、网上有个 put 办法的流程图画的挺好,给你偷懒了

参考

   java提高篇(二三)-----HashMap

  【原创】HashMap复习精讲

  面试官:"准备用HashMap存1w条数据,构造时传1000就有触发扩容吗?"

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