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「Java」HashMap底層實(shí)現(xiàn)、加載因子、容量值及死循環(huán)

HashMap 簡介

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HashMap是一個基于哈希表實(shí)現(xiàn)的無序的key-value容器，它鍵和值允許設(shè)置為 null，同時它是線程不安全的。

HashMap 底層實(shí)現(xiàn)

  •  在jdk 1.7中HashMap是以數(shù)組+鏈表的實(shí)現(xiàn)的
  •  在jdk1.8開始引入紅黑樹，HashMap底層變成了數(shù)組+鏈表+紅黑樹實(shí)現(xiàn)

紅黑樹簡介

紅黑樹是一種特殊的平衡二叉樹，它有如下的特征：

  •  節(jié)點(diǎn)是紅色或黑色
  •  根節(jié)點(diǎn)是黑色的
  •  所有葉子都是黑色。（葉子是NULL節(jié)點(diǎn)）
  •  每個紅色節(jié)點(diǎn)的兩個子節(jié)點(diǎn)都是黑色的（從每個葉子到根的所有路徑上不能有兩個連續(xù)的紅色節(jié)點(diǎn)）
  •  從任一節(jié)點(diǎn)到其每個葉子的所有路徑都包含相同數(shù)目的黑色節(jié)點(diǎn)。

所以紅黑樹的時間復(fù)雜度為: O(lgn)。

jdk1.8：數(shù)組+鏈表+紅黑樹

HashMap的底層首先是一個數(shù)組，元素存放的數(shù)組索引值就是由該元素的哈希值（key-value中key的哈希值）確定的，這就可能產(chǎn)生一種特殊情況——不同的key哈希值相同。

在這樣的情況下，于是引入鏈表，如果key的哈希值相同，在數(shù)組的該索引中存放一個鏈表，這個鏈表就包含了所有key的哈希值相同的value值，這就解決了哈希沖突的問題。

但是如果發(fā)生大量哈希值相同的特殊情況，導(dǎo)致鏈表很長，就會嚴(yán)重影響HashMap的性能，因為鏈表的查詢效率需要遍歷所有節(jié)點(diǎn)。于是在jdk1.8引入了紅黑樹，當(dāng)鏈表的長度大于8，且HashMap的容量大于64的時候，就會將鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // jdk1.8 
    2. 
  
  
  
  
  2. // HashMap#putVal 
    3. 
  
  
  
  
  3. // binCount 是該鏈表的長度計數(shù)器，當(dāng)鏈表長度大于等于8時，執(zhí)行樹化方法 
    4. 
  
  
  
  
  4. // TREEIFY_THRESHOLD = 8 
    5. 
  
  
  
  
  5. if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) 
    6. 
  
  
  
  
  6.     treeifyBin(tab, hash); 
    7. 
  
  
  
  
  7. // HashMap#treeifyBin     
    8. 
  
  
  
  
  8. final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) { 
    9. 
  
  
  
  
  9.     int n, index; Node e; 
    10. 
  
  
  
  
  10.     // MIN_TREEIFY_CAPACITY=64 
    11. 
  
  
  
  
  11.     // 若 HashMap 的大小小于64，僅擴(kuò)容，不樹化 
    12. 
  
  
  
  
  12.     if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) 
    13. 
  
  
  
  
  13.         resize(); 
    14. 
  
  
  
  
  14.     else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { 
    15. 
  
  
  
  
  15.         TreeNode hd = null, tl = null; 
    16. 
  
  
  
  
  16.         do {
    17. 
  
  
  
  
  17.              TreeNode p = replacementTreeNode(e, null); 
    18. 
  
  
  
  
  18.             if (tl == null) 
    19. 
  
  
  
  
  19.                 hd = p;
    20. 
  
  
  
  
  20.              else { 
    21. 
  
  
  
  
  21.                 p.prev = tl;
    22. 
  
  
  
  
  22.                  tl.next = p; 
    23. 
  
  
  
  
  23.             } 
    24. 
  
  
  
  
  24.             tl = p; 
    25. 
  
  
  
  
  25.         } while ((ee = e.next) != null); 
    26. 
  
  
  
  
  26.         if ((tab[index] = hd) != null) 
    27. 
  
  
  
  
  27.             hd.treeify(tab); 
    28. 
  
  
  
  
  28.     } 
    29. 
  
  
  
  
  29. }
    30.

加載因子為什么是0.75

所謂的加載因子，也叫擴(kuò)容因子或者負(fù)載因子，它是用來進(jìn)行擴(kuò)容判斷的。

假設(shè)加載因子是0.5，HashMap初始化容量是16，當(dāng)HashMap中有16 * 0.5=8個元素時，HashMap就會進(jìn)行擴(kuò)容操作。

而HashMap中加載因子為0.75，是考慮到了性能和容量的平衡。

由加載因子的定義，可以知道它的取值范圍是(0, 1]。

  •  如果加載因子過小，那么擴(kuò)容門檻低，擴(kuò)容頻繁，這雖然能使元素存儲得更稀疏，有效避免了哈希沖突發(fā)生，同時操作性能較高，但是會占用更多的空間。
  •  如果加載因子過大，那么擴(kuò)容門檻高，擴(kuò)容不頻繁，雖然占用的空間降低了，但是這會導(dǎo)致元素存儲密集，發(fā)生哈希沖突的概率大大提高，從而導(dǎo)致存儲元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜（用于解決哈希沖突），最終導(dǎo)致操作性能降低。
  •  還有一個因素是為了提升擴(kuò)容效率。因為HashMap的容量（size屬性，構(gòu)造函數(shù)中的initialCapacity變量）有一個要求：它一定是2的冪。所以加載因子選擇了0.75就可以保證它與容量的乘積為整數(shù)。
 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // 構(gòu)造函數(shù) 
    2. 
  
  
  
  
  2. public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { 
    3. 
  
  
  
  
  3.     // …… 
    4. 
  
  
  
  
  4.     this.loadFactor = loadFactor;// 加載因子 
    5. 
  
  
  
  
  5.     this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 
    6. 
  
  
  
  
  6. } 
    7. 
  
  
  
  
  7. /** 
    8. 
  
  
  
  
  8.  * Returns a power of two size for the given target capacity.返回2的冪 
    9. 
  
  
  
  
  9.  * MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 
    10. 
  
  
  
  
  10.  */ 
    11. 
  
  
  
  
  11. static final int tableSizeFor(int cap) { 
    12. 
  
  
  
  
  12.     int n = cap - 1; 
    13. 
  
  
  
  
  13.     n |= n >>> 1; 
    14. 
  
  
  
  
  14.     n |= n >>> 2;
    15. 
  
  
  
  
  15.     n |= n >>> 4; 
    16. 
  
  
  
  
  16.     n |= n >>> 8; 
    17. 
  
  
  
  
  17.     n |= n >>> 16; 
    18. 
  
  
  
  
  18.     return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; 
    19. 
  
  
  
  
  19. }
    20.

HashMap 的容量為什么是2的 n 次冪

HashMap的默認(rèn)初始容量是16，而每次擴(kuò)容是擴(kuò)容為原來的2倍。這里的16和2倍就保證了HashMap的容量是2的n次冪，那么這樣設(shè)計的原因是什么呢？

原因一：與運(yùn)算高效

與運(yùn)算&，基于二進(jìn)制數(shù)值，同時為1結(jié)果為1，否則就是0。如1&1=1,1&0=0,0&0=0。使用與運(yùn)算的原因就是對于計算機(jī)來說，與運(yùn)算十分高效。

原因二：有利于元素充分散列，減少 Hash 碰撞

在給HashMap添加元素的putVal函數(shù)中，有這樣一段代碼：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // n為容量，hash為該元素的hash值 
    2. 
  
  
  
  
  2. if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 
    3. 
  
  
  
  
  3.     tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    4.

它會在添加元素時，通過i = (n - 1) & hash計算該元素在HashMap中的位置。

當(dāng) HashMap 的容量為 2 的 n 次冪時，他的二進(jìn)制值是100000……（n個0），所以n-1的值就是011111……（n個1），這樣的話(n - 1) & hash的值才能夠充分散列。

舉個例子，假設(shè)容量為16，現(xiàn)在有哈希值為1111，1110，1011，1001四種將被添加，它們與n-1(15的二進(jìn)制=01111)的哈希值分別為1111、1110、1110、1011，都不相同。

而假設(shè)容量不為2的n次冪，假設(shè)為10，那么它與上述四個哈希值進(jìn)行與運(yùn)算的結(jié)果分別是：0101、0100、0001、0001。

可以看到后兩個值發(fā)生了碰撞，從中可以看出，非2的n次冪會加大哈希碰撞的概率。所以 HashMap 的容量設(shè)置為2的n次冪有利于元素的充分散列。

參考：HashMap初始容量為什么是2的n次冪及擴(kuò)容為什么是2倍的形式

HashMap 是如何導(dǎo)致死循環(huán)的

HashMap會導(dǎo)致死循環(huán)是在jdk1.7中，由于擴(kuò)容時的操作是使用頭插法，在多線程的環(huán)境下可能產(chǎn)生循環(huán)鏈表，由此導(dǎo)致了死循環(huán)。在jdk1.8中改為使用尾插法，避免了該死循環(huán)的情況。


文章題目：「Java」HashMap底層實(shí)現(xiàn)、加載因子、容量值及死循環(huán)
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