HashMap剖析之put()和get()方法

microcosm1994 发布于2019-08-16 15:05 / 3163人阅读

摘要：判断该首节点是否与插入的键值对的和一致，若一致则替换该节点的值为，否则进入下一步判断首节点是否为树节点，若是则调用树节点的方法遍历红黑树，否则遍历链表。中的方法会在链表超过树化阈值的时候，将链表转化为红黑树。

前言

由于Java 1.7和Java 1.8的HashMap的HashMap中的put()和get()方法在实现上差异很大，所以本文将于分别分析这两个版本的put()和get()f方法

下面将会分析这部分的源码，如果觉得源码分析内容太啰嗦，可以跳过源码部分，直接看源码下面的总结。

put()方法源码分析

HashMap的put()方法是我们最常用的方法，但是put()方法是怎么工作的呢？

Java 1.7 put()方法

</>复制代码 
public V put(K key, V value) {
        if (key == null)// 处理key为null的情况
            return putForNullKey(value);
        // 计算key的hash值
        int hash = hash(key);
        // 计算命中table的索引
        int i = indexFor(hash, table.length);
        // 遍历命中的链表
        for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            // 存在key和hash值相同则替换value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        // 记录结构性变化
        modCount++;
        // 增加新链表
        addEntry(hash, key, value, i);
        // 上一次节点不存在，返回null
        return null;
    }

put()方法实际上是

若key为null时，直接调用putForNullKey()方法。否则进入下一步

调用hash()方法获取key的hash值，进入下一步

调用indexFor()计算命中的散列表table的索引

遍历链表，如果链表不存在或链表不存在key和hash值相同的节点，则创建新的链表或尾部添加节点，否则替换对应节点的value

putForNullKey()

</>复制代码 
    private V putForNullKey(V value) {
        // 遍历链表，但是命中的散列表的索引和key的hash值为0
        // 后续逻辑与`put()`类似
        for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

putForNullKey只是将命中散列表table的索引和key的hash值都设置为0，其他逻辑与put()方法后续的逻辑一致。

indexFor()方法

</>复制代码 
    /**
     * 计算命中散列表的索引
     */
    static int indexFor(int h, int length) {
        // 等价于length%h
        return h & (length-1);
    }

hash()方法

</>复制代码 
    /**
     * hash值计算方法
     */
    final int hash(Object k) {
        int h = 0;
        // 使用替代的hash方法
        if (useAltHashing) {
            if (k instanceof String) {
                // 为字符串则使用特定的hash方法
                return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
            }
            // 使用特定的hash种子计算hash值
            h = hashSeed;
        }
        
        h ^= k.hashCode();
        // 这部分代码是为了减少哈希碰撞
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

addEntry()方法

</>复制代码 
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        // 判断散列表是否需要扩容或者未初始化
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            // 散列表扩容为原来的2倍
            resize(2 * table.length);
            // 计算key的hash值，key为null则返回0
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }
        // 创建新的链表
        // 如果链表已存在，则是将新节点插入头部（头插法）
        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

createEntry()方法

</>复制代码 
    /**
     * 头插法插入新的节点
     * 不需要判断链表是否存在
     */
    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

Java 1.8 put()方法

</>复制代码 
    /**
     * HashMap的put()方法支持key/value为null
     */
    public V put(K key, V value) {
        //实际上是先调用HashMap的hash()方法获取到key的hash值
        //然后调用HashMap的putVal()方法
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

put()方法实际上是

调用hash()方法获取到key的hash值

调用putVal()方法存储key-value

核心方法是putVal()方法，下面我会先分析一下hash()方法，因为这个方法涉及到hash值这个关键属性的计算。

hash()方法

</>复制代码 
    static final int hash(Object key) {
        int h;
        // key为null时，hash值为0
        // key不为null时，调用key对象的hashCode()方法并通过位运算异或和无符号右移将高位分散到低位
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

hash()方法指定了null的hash值为0。这样就可以支持key为null。

(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)这段代码通过位运算异或和无符号右移将高位分散到低位，这样做可以减少哈希碰撞的概率（这块不是很清楚原理，是从方法注释上了解到的）

putVal()方法

</>复制代码 
    /**
     * Map.put()方法的实际实现
     *
     * @param hash key的hash值
     * @param key 键值对中的key
     * @param value 键值对中的value
     * @param onlyIfAbsent 如果为true，则键值对中的值已经存在则不修改这个值
     * @param evict 如果为false，则是处于创建模式
     * @return 上一次的value，如果上一次的value不存在，则为null
     */
    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
        //tab用于暂存散列表table。p为散列表中对应索引的链表的头节点的指针。n存储tab的长度。i则为命中的散列表的索引
        Node[] tab; Node p; int n, i;
        //给tab和n赋值
        //当tab为null或者tab的长度n为0时，触发resize()来初始化tab
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        //使用(n - 1) & hash（等价于hash%n）计算命中的散列表索引，同时判断散列表对应索引的链表是否存在
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            //散列表对应索引的链表不存在则创建一个新的链表
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {//散列表对应索引的链表已存在
            Node e; K k;
            // 判断头节点的hash值和key是否与入参的hash值和key一致。需要注意，null的hash值为0
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 对应的键值对已经存在，记录下来
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)//判断对应的链表是否转化为红黑树
                //若是，则直接调用红黑树的putTreeVal()方法
                e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {//链表的头节点与新的键值对不重复，即没有发生哈希碰撞
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {//遍历链表
                    if ((e = p.next) == null) {//遍历到尾节点
                        //尾插法添加一个新的节点
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        //链表长度大于阈值
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // 从-1开始，所以为阈值-1 
                            // 将链表转化为红黑树
                            treeifyBin(tab, hash);
                        // 中断循环
                        break;
                    }
                    // 判断当前遍历的节点的hash值和key是否与入参的hash值和key一致，即key是否已经存在
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        // key已经存在，中断循环
                        break;
                    // 记录当前遍历的节点
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // Map中存在重复的key
                V oldValue = e.value;//记录下旧值
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)//判断值存在是否可以进行修改以及旧值是否为null
                    e.value = value;//修改该节点的值
                afterNodeAccess(e);// 链表节点的回调方法，此处为空方法
                return oldValue;//返回旧值
            }
        }
        // HashMap发生结构变化，变化次数累加
        ++modCount;
        // 键值对个数自增，同时判断是否达到扩容的阈值
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 链表节点的回调方法，此处为空方法
        afterNodeInsertion(evict);
        // 此处返回null是因为链表新增了节点，所以上一次的值必然为null
        return null;
    }

putVal()方法的关键点：

若table没有初始化则调用reszie()方法初始化。

计算命中的散列表索引位置，公式为(n - 1) & hash（等价于hash%n）。其中n为散列表长度，hash为插入的键值对的key的哈希值。

判断散列表对应索引中的首节点是否为null，若为null，则创建链表，否则进入下一步。

判断该首节点是否与插入的键值对的key和hash一致，若一致则替换该节点的值为value，否则进入下一步

判断首节点是否为树节点，若是则调用树节点的putTreeVal()方法遍历红黑树，否则遍历链表。

遍历红黑树时，若存在key和hash相同的节点就替换对应节点的值value，若不存在则插入新的树节点。

遍历链表时，若存在key和hash相同的节点就替换对应节点的值为value。若找不到key和hash相同的节点，则链表尾部插入节点，同时进入下一步。

若当前链表长度大于或等于树化阈值TREEIFY_THRESHOLD(8)时，则将链表转化为红黑树。

get()方法源码分析

除了HashMap的put()方法外，get()方法也是一个我们常用的方法，下面开始分析其关键的源码。

Java 1.7 get()方法

</>复制代码 
    public V get(Object key) {
        if (key == null)// key为null时特殊处理
            return getForNullKey();
        // 关键获取key对应value的代码
        Entry entry = getEntry(key);
        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }

get()方法的关键点如下：

若key为null，则调用getForNullKey()方法获取value，否则进入下一步

调用getEntry()方法获取对应的Entry对象

对应的Entry对象为null时返回null，否则调用getValue()返回其value

getForNullKey()

</>复制代码 
    private V getForNullKey() {
        // 命中散列表索引为0，无需计算key的hash值
        // 遍历命中的链表
        for (Entry e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

getEntry()

</>复制代码 
    final Entry getEntry(Object key) {
        // 计算key的hash值，key为null时返回0
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        // 遍历命中的链表
        for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        // 链表不存在或链表中不存在key和hash一致的节点
        return null;
    }

Java 1.8 get()方法

</>复制代码 
/**
 * 返回key对应的value，如果不存在则返回null
 */
public V get(Object key) {
        Node e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

get()方法实际上是

调用hash()方法获取到key的hash值

调用getNode()方法通过key和hash获取对应的value。不存在则返回null

核心方法是getNode()方法，下面我会先分析一下getNode()方法。

getNode()方法

</>复制代码 
    /**
     * Map.get()方法的实际实现
     * @param hash key的哈希值
     * @param key 查询用的key
     * @return 节点或者是节点不存在是返回null
     */
    final Node getNode(int hash, Object key) {
        //tab用于暂存散列表table。first为散列表中对应索引的链表的头节点的指针。n存储tab的长度。i则为命中的散列表的索引
        Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
        //初始化方法内的变量，同时尝试命中散列表
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && 
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))// 总是先检查链表的头节点
                return first;//头节点符合直接返回头节点
            if ((e = first.next) != null) {//是否只有一个节点
                if (first instanceof TreeNode)//判断头节点是否为红黑树节点
                    return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);//改为遍历红黑树
                do {//遍历链表是否有符合的节点
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        //不存在对应的key，返回null
        return null;
    }

getNode()方法的关键点：

若散列表table不为null且长度大于0且其索引为(n - 1) & hash（等价于hash%n）的节点不为null。其中n为散列表长度，hash为插入的键值对的key的哈希值。则进入下一步，否则直接返回null

判断首节点的key和hash是否与入参一致，若相同则返回首节点，否则进入下一步。

判断节点个数只有1个，若是则返回null，否则进入下一步

判断首节点是否为树节点，若是则遍历红黑树，否则为链表，进入下一步

遍历链表，检索key和hash与入参相同的节点，若找到则返回该节点，否则返回null

总结

put()和get()方法是HashMap的常用方法，通过学习其源码了解到HashMap是如何使用拉链法解决哈希冲突。而下面将会通过两幅图展示put()和get()的执行过程：

Java 1.7

put()方法图解

get()方法图解

Java 1.8

put()方法图解

get()方法图解

比较

既然分析了Java 1.7和Java 1.8中HashMap的put()和get()
方法，当然少不了对二者的比较：

Java 1.7的HashMap中存在很多重复的代码。例如putForNullKey()和put()方法中重复的链表遍历，大量重复的hash值计算逻辑等等。而在Java 1.8中则对这部分的代码进行了重构。例如将putForNullKey()和put()方法重复的代码整合成putVal()方法，hash()方法处理key为null时的情况。

Java 1.8中的put()方法会在链表超过树化阈值的时候，将链表转化为红黑树。而Java 1.7中则只有链表

Java 1.7的链表节点插入为头插法（不需要判断链表是否存在），而Java 1.8的链表节点插入则为尾插法。

Java 1.8增加了对putIfAbsent()方法（存在才进行更新）的支持，详情可以看putVal()中关于onlyIfAbsent参数的处理逻辑。

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