HashMap学习笔记

技术标签: java

HashMap的结构:

HashMap继承于AbstractMap,实现了Map、Cloneable、Serializable接口,它存储的内容是键值对的映射(无序)。它的实现是不同步的,意味着它不是线程安全的。它的key、value都可以为null。

大方向上:HashMap里面是一个数组,数组中的每个元素都是一个单向链表。总体结构为数组+链表。

capacity:当前数组容量,始终保持2^n,可以扩容,扩容后数组大小为当前的2倍。

loadFactor:负载因子,默认为0。75。

threshold:扩容的阔值,等于capacity*loadFactor

HashMao的Api:

void                 clear()//清空HashMap
Object               clone()//克隆HashMap
boolean              containsKey(Object key)//判断HashMap是否包含key
boolean              containsValue(Object value)//判断HashMap是否包含值为value的元素
Set<Entry<K, V>>     entrySet()
V                    get(Object key)
boolean              isEmpty()
Set<K>               keySet()
V                    put(K key, V value)
void                 putAll(Map<? extends K, ? extends V> map)
V                    remove(Object key)
int                  size()
Collection<V>        values()

put方法:

public V put(K key, V value) {
    // 当插入第一个元素的时候,需要先初始化数组大小
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    // 如果 key 为 null,感兴趣的可以往里看,最终会将这个 entry 放到 table[0] 中
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    // 1. 求 key 的 hash 值
    int hash = hash(key);
    // 2. 找到对应的数组下标
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 3. 遍历一下对应下标处的链表,看是否有重复的 key 已经存在,
    //    如果有,直接覆盖,put 方法返回旧值就结束了
    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++;
    // 4. 不存在重复的 key,将此 entry 添加到链表中,细节后面说
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

如果当前插入元素为第一个元素的时候,需要对数组大小进行初始化 inflatable(),确认数组的初始大小,并计算数组扩容的阈值。

private void inflateTable(int toSize) {
    // 保证数组大小一定是 2 的 n 次方。
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
    // 计算扩容阈值:capacity * loadFactor
    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
    initHashSeedAsNeeded(capacity); //ignore
}

如果当前插入元素的key值于链表中的key没有重复的话,进行addEntry()操作,如果重复了直接覆盖。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    // 如果当前 HashMap 大小已经达到了阈值,并且新值要插入的数组位置已经有元素了,那么要扩容
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        // 扩容,后面会介绍一下
        resize(2 * table.length);
        // 扩容以后,重新计算 hash 值
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        // 重新计算扩容后的新的下标
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }
    // 往下看
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
// 这个很简单,其实就是将新值放到链表的表头,然后 size++
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

get方法:

过程:根据key计算出hash值,找到相应的数组下标(hash&(length-1)),遍历该数组位置的链表直到找到相等的key。

public V get(Object key) {
    // 之前说过,key 为 null 的话,会被放到 table[0],所以只要遍历下 table[0] 处的链表就可以了
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    // 
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);
 
    return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
 
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    // 确定数组下标,然后从头开始遍历链表,直到找到为止
    for (Entry<K,V> 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;
    }
    return null;
}

扩容机制:

HashMap的扩容是非常耗时的,每次扩容会伴随着一次重新分配hash,并且会遍历hash表中的所有元素,所以jdk1.8给HashMap新增了红黑树用于增加HashMap的扩容速度。HashMap的结构变为(数组+链表+红黑树),桶中的数据可能是链表,也可能是红黑树。在我们应用HashMap的过程中应该尽量避免resize。

红黑树(red black tree)

结构:

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;
}

可以看到红黑树节点有父亲节点,左右孩子节点,前一个元素的节点,还有颜色值。

红黑树本质上是一种二叉查找树,但它在二叉查找树的基础上额外添加了一个标记(颜色),同时具有一定的规则。这些规则使红黑树保证了一种平衡,插入、删除、查找的最坏时间复杂度都为 O(logn)。

  1. 每个节点要么是红色,要么是黑色;
  2. 根节点永远是黑色的;
  3. 所有的叶节点都是是黑色的
  4. 每个红色节点的两个子节点一定都是黑色;
  5. 从任一节点到其子树中每个叶子节点的路径都包含相同数量的黑色节点;

单旋转变换:

由于p节点和x节点均为红色节点,违背了红黑树中红色节点的子节点必须为黑色的规则。所以要对其进行单旋转变换。红黑树的左右旋是比较重要的操作,左右旋的目的是调整红黑节点的结构,转移黑色节点的位置。

在java中的具体操作方法:

指定节点的左旋:
private void rotateLeft(Entry<K,V> p) {
    if (p != null) {
        Entry<K,V> g = p.right; 
        p.right = g.left;       // 左旋后,p 的右子树变成了 g 的左子树  
        if (g.left != null)         
            g.left.parent = p;  //A 确认父亲为 p
        g.parent = p.parent;        //g 取代 p 的第一步:认 p 的父亲为爹
        if (p.parent == null)       //要是 p 没有父亲,那 g 就是最老的根节点
            root = g;
        else if (p.parent.left == p) //如果 p 有父亲并且是它父亲的左孩子,p 的父亲现在认 g 为左孩子,不要 p 了
            p.parent.left = g;
        else                            //如果 p 是父亲的右孩子,父亲就认 g 为右孩子,抛弃 p
            p.parent.right = g;
        g.left = p;     //g 逆袭成功,以前的爸爸 p 现在成了它的左孩子
        p.parent = g;
    }
}

指定节点的右旋:

private void rotateRight(Entry<K,V> p) {
    if (p != null) {
        Entry<K,V> l = p.left;
        p.left = l.right;
        if (l.right != null) l.right.parent = p;
        l.parent = p.parent;
        if (p.parent == null)
            root = l;
        else if (p.parent.right == p)
            p.parent.right = l;
        else p.parent.left = l;
        l.right = p;
        p.parent = l;
    }
}

双旋转变换:

颜色变换(当两个子节点均为红色):

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