如何理解Java容器中Map的源码分析
本篇文章为大家展示了如何理解Java容器中Map的源码分析,内容简明扼要并且容易理解,绝对能使你眼前一亮,通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。
如果没有特别说明,以下源码分析基于 JDK 1.8。
一、HashMap
为了便于理解,以下源码分析以 JDK 1.7 为主。
1. 存储结构
内部包含了一个 Entry 类型的数组 table。
transient Entry[] table;
Entry 存储着键值对。它包含了四个字段,从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表。 即数组中的每个位置被当成一个桶,一个桶存放一个链表。HashMap 使用拉链法来解决冲突, 同一个链表中存放哈希值相同的 Entry。
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { //包含了四个字段 final K key; V value; //next指向下一个节点,说明是链表结构 Entry<K,V> next; int hash; Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { value = v; next = n; key = k; hash = h; } public final K getKey() { return key; } public final V getValue() { return value; } public final V setValue(V newValue) { V oldValue = value; value = newValue; return oldValue; } public final Boolean equals(Object o) { if (!(o instanceof Map.Entry)) return false; Map.Entry e = (Map.Entry)o; Object k1 = getKey(); Object k2 = e.getKey(); // k1==k2 比较的是 hashcode 值, // k1.equals(k2)比较的是k1和k2的内容 equals 未重写,则等价于 k1 == k2 if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) { Object v1 = getValue(); Object v2 = e.getValue(); if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2))) return true; } return false; } public final int hashCode() { return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue()); } public final String toString() { return getKey() + "=" + getValue(); }}
2. 拉链法的工作原理
HashMap<String, String> map = new HashMap<>();map.put("K1", "V1");map.put("K2", "V2");map.put("K3", "V3");
新建一个 HashMap,默认大小为 16;
插入
键值对,先计算 K1 的 hashCode 为 115,使用除留余数法得到所在的桶下标 115%16=3。 插入
键值对,先计算 K2 的 hashCode 为 118,使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6。 插入
键值对,先计算 K3 的 hashCode 为 118,使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6,插在 前面。
应该注意到链表的插入是以头插法方式进行的,例如上面的
查找需要分成两步进行:
计算键值对所在的桶;
在链表上顺序查找,时间复杂度显然和链表的长度成正比。
3. put 操作
public V put(K key, V value) { if (table == EMPTY_TABLE) { inflateTable(threshold); } // 键为 null 单独处理 if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key); // 确定桶下标 int i = indexFor(hash, table.length); // 先找出是否已经存在键为 key 的键值对,如果存在的话就更新这个键值对的值为 value // 时间复杂度显然和链表的长度成正比。 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; // 插入新键值对 addEntry(hash, key, value, i); return null;}
HashMap 允许插入键为 null 的键值对。但是因为无法调用 null 的 hashCode() 方法,也就无法确定该键值对的桶下标,只能通过强制指定一个桶下标来存放。HashMap 使用第 0 个桶存放键为 null 的键值对。
private V putForNullKey(V value) { //HashMap 使用第 0 个桶 table[0] 存放键为 null 的键值对。 for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) { if (e.key == null) { V oldValue = e.value; e.value = value; // 更新值 e.recordAccess(this); return oldValue; // 返回旧值 } } modCount++; //void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) addEntry(0, null, value, 0); return null;}
使用链表的头插法,也就是新的键值对插在链表的头部,而不是链表的尾部。
//TODO:使用链表的头插法,也就是新的键值对插在链表的头部,而不是链表的尾部。void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) { resize(2 * table.length); hash = (null != key) ? hash(key) : 0; bucketIndex = indexFor(hash, table.length); } createEntry(hash, key, value, bucketIndex);}void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // 头插法,链表头部指向新的键值对 table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); size++;}
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) { value = v; next = n; key = k; hash = h;}
4. 确定桶下标
很多操作都需要先确定一个键值对所在的桶下标。
int hash = hash(key);int i = indexFor(hash, table.length);
①. 计算 hash 值
final int hash(Object k) { int h = hashSeed; if (0 != h && k instanceof String) { return sun.misc.Hashing.stringHash42((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);}
public final int hashCode() { return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);}
②. 取模
令 x = 1<<4,即 x 为 2 的 4 次方,它具有以下性质:
x : 00010000x-1 : 00001111
令一个数 y 与 x-1 做与运算,可以去除 y 位级表示的第 4 位以上数:
y : 10110010x-1 : 00001111y&(x-1) : 00000010
这个性质和 y 对 x 取模效果是一样的:
y : 10110010x : 00010000y%x : 00000010
我们知道,位运算的代价比求模运算小的多,因此在进行这种计算时用位运算的话能带来更高的性能。
确定桶下标的最后一步是将 key 的 hash 值对桶个数取模: hash%capacity,如果能保证 capacity 为 2 的 n 次方,那么就可以将这个操作转换为位运算。
static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1);}
就等价于
static int indexFor(int h, int length) { return h % length;}
但是效率会更高。
5. 扩容-基本原理
设 HashMap 的 table 长度为 M,需要存储的键值对数量为 N,如果哈希函数满足均匀性的要求,那么每条链表的长度大约为 N/M,因此平均查找次数的复杂度为 O(N/M)。
为了让查找的成本降低,应该尽可能使得 N/M 尽可能小,因此需要保证 M 尽可能大,也就是说 table 要尽可能大。 HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值,使得空间效率和时间效率都能得到保证。
和扩容相关的参数主要有:capacity、size、threshold 和 load_factor。
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//保证 capacity 为 2 的 n 次方,那么就可以将indexFor方法中操作转换为位运算static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//保证 capacity 为 2 的 n 次方,那么就可以将 indexFor 方法中操作转换为位运算static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;transient Entry[] table;transient int size;int threshold;final float loadFactor;transient int modCount;
从下面的添加元素代码中可以看出,当需要扩容时,令 capacity 为原来的两倍。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e); if (size++ >= threshold) resize(2 * table.length); //令 capacity 为原来的两倍}
扩容使用 resize() 实现,需要注意的是,扩容操作同样需要把 oldTable 的所有键值对重新插入 newTable 中,因此这一步是很费时的。
void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; transfer(newTable); table = newTable; threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);}void transfer(Entry[] newTable) { Entry[] class="lazy" data-src = table; int newCapacity = newTable.length; for (int j = 0; j < class="lazy" data-src.length; j++) { Entry<K,V> e = class="lazy" data-src[j]; if (e != null) { class="lazy" data-src[j] = null; do { Entry<K,V> next = e.next; int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } }}
6. 扩容-重新计算桶下标
在进行扩容时,需要把键值对重新放到对应的桶上。HashMap 使用了一个特殊的机制,可以提升重新计算桶下标的效率。
假设原数组长度 capacity 为 16,扩容之后 new capacity 为 32:
capacity : 00010000new capacity : 00100000
对于一个 Key,
它的哈希值如果在第 5 位上为 0,那么取模得到的结果和之前一样;
如果为 1,那么得到的结果为原来的结果 +16。
7. 计算数组容量
HashMap 构造函数允许用户传入的容量不是 2 的 n 次方,因为它可以自动地将传入的容量转换为 2 的 n 次方。
先考虑如何求一个数的掩码,对于 10010000,它的掩码为 11111111,可以使用以下方法得到:
mask |= mask >> 1 11011000mask |= mask >> 2 11111110mask |= mask >> 4 11111111
mask+1 是大于原始数字的最小的 2 的 n 次方。
num 10010000mask+1 100000000
以下是 HashMap 中计算数组容量的代码:
static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1; n |= n >>> 1; n |= n >>> 2; n |= n >>> 4; n |= n >>> 8; n |= n >>> 16; //得到n的掩码 return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;}
8. 链表转红黑树
从 JDK 1.8 开始,一个桶存储的链表长度大于 8 时会将链表转换为红黑树。
9. 与 HashTable 的比较
HashMap 是非线程安全的,HashTable 使用 synchronized 来进行同步,是线程安全的。
HashMap 要比 HashTable 效率高一点。Hashtable 基本被淘汰,不要在代码中使用它。
HashMap 可以插入键为 null 的 Entry;HashTable 中插入的键只要有一个为 null,直接抛出 NullPointerException。
HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。
HashMap 不能保证随着时间的推移 Map 中的元素次序是不变的。
HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化,当链表长度大于阈值(默认为8)时,将链表转化为红黑树,以减少搜索时间;Hashtable 没有这样的机制。
HashMap 默认的初始化大小为16。之后每次扩充,容量变为原来的2倍;Hashtable 容量默认的初始大小为11,之后每次扩充,容量变为原来的2n+1。 在初始化时如果给定了容量初始值,HashMap 会将其扩充为2的幂次方大小;Hashtable 会直接使用初始值。
10. 与 HashSet 的比较
HashSet 底层就是基于HashMap实现的。 (HashSet 的源码非常非常少,因为除了 clone() 方法、writeObject()方法、readObject()方法是 HashSet 自己不得不实现之外, 其他方法都是直接调用 HashMap 中的方法。)
二、LinkedHashMap
1.存储结构
继承自 HashMap,因此具有和 HashMap 一样的快速查找特性。
public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>
内部维护了一个双向链表,用来维护插入顺序或者 LRU 顺序。
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;
accessOrder 决定了顺序,默认为 false,此时维护的是插入顺序。
final boolean accessOrder;
LinkedHashMap 最重要的是以下用于维护顺序的函数,它们会在 put、get 等方法中调用。
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
2.afterNodeAccess()
当一个节点被访问时,如果 accessOrder 为 true,则会将该节点移到链表尾部。也就是说指定为 LRU 顺序之后,在每次访问一个节点时,会将这个节点移到链表尾部,保证链表尾部是最近访问的节点,那么链表首部就是最近最久未使用的节点。
void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last LinkedHashMap.Entry<K,V> last; if (accessOrder && (last = tail) != e) { LinkedHashMap.Entry<K,V> p = (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after; p.after = null; if (b == null) head = a; else b.after = a; if (a != null) a.before = b; else last = b; if (last == null) head = p; else { p.before = last; last.after = p; } tail = p; ++modCount; }}
3.afterNodeInsertion()
在 put 等操作之后执行,当 removeEldestEntry() 方法返回 true 时会移除最晚的节点,也就是链表首部节点 first。
evict 只有在构建 Map 的时候才为 false,在这里为 true。
void afterNodeInsertion(Boolean evict) { // possibly remove eldest LinkedHashMap.Entry<K,V> first; if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) { K key = first.key; removeNode(hash(key), key, null, false, true); }}
removeEldestEntry() 默认为 false,如果需要让它为 true,需要继承 LinkedHashMap 并且覆盖这个方法的实现,这在实现 LRU 的缓存中特别有用,通过移除最近最久未使用的节点,从而保证缓存空间足够,并且缓存的数据都是热点数据。
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) { return false;}
4.LRU 缓存
以下是使用 LinkedHashMap 实现的一个 LRU 缓存:
设定最大缓存空间 MAX_ENTRIES 为 3;
使用 LinkedHashMap 的构造函数将 accessOrder 设置为 true,开启 LRU 顺序;
覆盖 removeEldestEntry() 方法实现,在节点多于 MAX_ENTRIES 就会将最近最久未使用的数据移除。
public class LRUCache<K,V> extends LinkedHashMap<K,V>{ private static final int MAX_ENTRIES = 3; LRUCache(){ super(MAX_ENTRIES,0.75f,true); } @Override protected Boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) { return size() > MAX_ENTRIES; } public static void main(String[] args) { LRUCache<Integer,String> cache=new LRUCache<>(); cache.put(1, "a"); cache.put(2, "b"); cache.put(3, "c"); cache.get(1); //LRU 键值1被访问过了,则最近最久未访问的就是2 cache.put(4, "d"); System.out.println(cache.keySet()); }}
[3, 1, 4]
三、WeakHashMap
1.存储结构
WeakHashMap 的 Entry 继承自 WeakReference,被 WeakReference 关联的对象在下一次垃圾回收时会被回收。
WeakHashMap 主要用来实现缓存,通过使用 WeakHashMap 来引用缓存对象,由 JVM 对这部分缓存进行回收。
private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>
2.ConcurrentCache
Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 来实现缓存功能。
ConcurrentCache 采取的是分代缓存:
经常使用的对象放入 eden 中,eden 使用 ConcurrentHashMap 实现,不用担心会被回收;
不常用的对象放入 longterm,longterm 使用 WeakHashMap 实现,这些老对象会被垃圾收集器回收。
当调用 get() 方法时,会先从 eden 区获取,如果没有找到的话再到 longterm 获取,当从 longterm 获取到就把对象放入 eden 中,从而保证经常被访问的节点不容易被回收。
当调用 put() 方法时,如果 eden 的大小超过了 size,那么就将 eden 中的所有对象都放入 longterm 中,利用虚拟机回收掉一部分不经常使用的对象。
public final class ConcurrentCache<K, V> { private final int size; private final Map<K, V> eden; private final Map<K, V> longterm; public ConcurrentCache(int size) { this.size = size; this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size); this.longterm = new WeakHashMap<>(size); } public V get(K k) { V v = this.eden.get(k); if (v == null) { v = this.longterm.get(k); if (v != null) this.eden.put(k, v); } return v; } public void put(K k, V v) { if (this.eden.size() >= size) { this.longterm.putAll(this.eden); this.eden.clear(); } this.eden.put(k, v); }}
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