HashMap 中的容量与扩容实现，细致入微，值的一品！
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2021-12-10 12:21
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- 前言开心一刻 -
巴闭，你的脚怎么会有味道，我要闻闻看是不是好吃的，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，我相信大家都能说上来个 一二，底层数据结构 数组 + 链表（或红黑树） ，源码如下
/**
* 数组
*/
transient Node[] table;
/**
* 链表结构
*/
static class Node implements Map.Entry {
final int hash;
final K key;
V value;
Node next;
Node(int hash, K key, V value, Node 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;
}
}
/**
* 红黑树结构
*/
static final class TreeNode extends LinkedHashMap.Entry {
TreeNode parent; // red-black tree links
TreeNode left;
TreeNode right;
TreeNode prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
... 
但面试往往会问的比较细，例如下面的容量问题，我们能答上来几个？
1、table 的初始化时机是什么时候，初始化的 table.length 是多少、阀值（threshold）是多少，实际能容下多少元素
2、什么时候触发扩容，扩容之后的 table.length、阀值各是多少？
3、table 的 length 为什么是 2 的 n 次幂
4、求索引的时候为什么是：h&(length-1)，而不是 h&length，更不是 h%length
5、 Map map = new HashMap(1000); 当我们存入多少个元素时会触发map的扩容； Map map1 = new HashMap(10000); 我们存入第 10001个元素时会触发 map1 扩容吗
6、为什么加载因子的默认值是 0.75，并且不推荐我们修改
由于我们平时关注的少，一旦碰上这样的 连击 + 暴击，我们往往不知所措、无从应对；接下来我们看看上面的 6 个问题，是不是真的难到无法理解 ，还是我们不够细心、在自信的自我认为
- 斗智斗勇，见招拆招 -
上述的问题，我们如何去找答案 ? 方式有很多种，用的最多的，我想应该是上网查资料、看别人的博客，但我认为最有效、准确的方式是读源码
问题 1：table 的初始化
HashMap 的构造方法有如下 4 种
/**
* 构造方法 1
*
* 通过 指定的 initialCapacity 和 loadFactor 实例化一个空的 HashMap 对象
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
/**
* 构造方法 2
*
* 通过指定的 initialCapacity 和 默认的 loadFactor(0.75) 实例化一个空的 HashMap 对象
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
/**
* 构造方法 3
*
* 通过默认的 initialCapacity 和 默认的 loadFactor(0.75) 实例化一个空的 HashMap 对象
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
/**
*
* 构造方法 4
* 通过指定的 Map 对象实例化一个 HashMap 对象
*/
public HashMap(Map m) {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
putMapEntries(m, false);
}构造方式 4 和 构造方式 1 实际应用的不多，构造方式 2 直接调用的 1（底层实现完全一致），构造方式 2 和 构造方式 3 比较常用，而最常用的是构造方式 3；此时我们以构造方式 3 为前提来分析，而构造方式 2 我们则在问题 5 中来分析
使用方式 1 实例化 HashMap 的时候，table 并未进行初始化，那 table 是何时进行初始化的了 ？平时我们是如何使用 HashMap 的，先实例化、然后 put、然后进行其他操作，如下
Map map = new HashMap();
map.put("name", "张三");
map.put("age", 21);
// 后续操作
...
既然实例化的时候未进行 table 的初始化，那是不是在 put 的时候初始化的了，我们来确认下
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[] resize() {
Node[] oldTab = table; // 第一次 put 的时候，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[] newTab = (Node[])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，后续扩容的时候，走此if分支 将数组元素复制到新数组
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node 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)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node loHead = null, loTail = null;
Node hiHead = null, hiTail = null;
Node 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
} 自此，问题 1 的答案就明了了
table 的初始化时机是什么时候
一般情况下，在第一次 put 的时候，调用 resize 方法进行 table 的初始化（懒初始化，懒加载思想在很多框架中都有应用！）
初始化的 table.length 是多少、阀值（threshold）是多少，实际能容下多少元素
默认情况下，table.length = 16; 指定了 initialCapacity 的情况放到问题 5 中分析
默认情况下，threshold = 12; 指定了 initialCapacity 的情况放到问题 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 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[] tab; Node 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 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)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;
}
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[] resize() {
Node[] 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[] newTab = (Node[])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 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)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
Node loHead = null, loTail = null;
Node hiHead = null, hiTail = null;
Node 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;
}
自此，问题 2 的答案也就清晰了
什么时候触发扩容，扩容之后的 table.length、阀值各是多少
当 size > threshold 的时候进行扩容
扩容之后的 table.length = 旧 table.length * 2,
扩容之后的 threshold = 旧 threshold * 2
问题 3、4 ：2 的 n 次幂
table 是一个数组，那么如何最快的将元素 e 放入数组 ？当然是找到元素 e 在 table 中对应的位置 index ，然后 table[index] = e; 就好了；如何找到 e 在 table 中的位置了 ？我们知道只能通过数组下标（索引）操作数组，而数组的下标类型又是 int ，如果 e 是 int 类型，那好说，就直接用 e 来做数组下标（若 e > table.length，则可以 e % table.length 来获取下标），可 key - value 中的 key 类型不一定，所以我们需要一种统一的方式将 key 转换成 int ，最好是一个 key 对应一个唯一的 int (目前还不可能, int有范围限制，对转换方法要求也极高)，所以引入了 hash 方法
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); // 这里的处理，有兴趣的可以琢磨下；能够减少碰撞
}
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 之后，我们最容易想到的对 value 的 put 和 get 操作也许如下
// put
table[h % table.length] = value;
// get
e = table[h % table.length];
直接取模是我们最容易想到的获取下标的方法，但是最高效的方法吗 ？
我们知道计算机中的四则运算最终都会转换成二进制的位运算
我们可以发现，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&10000=00000; => 10&16=0;
01011&10000=00000; => 11&16=0;
我们是不是又有所发现：10 & 16 与 11 & 16 得到的结果一样，也就是冲突（碰撞）了，那么 10 和 11 对应的 value 会在同一个链表中，而 table 的有些位置则永远不会有元素，这就导致 table 的空间未得到充分利用，同时还降低了 put 和 get 的效率（对比数组和链表）；由于是 2 个数进行 & 运算，所以结果由这两个数决定，如果我们把这两个数都做下限制，那得到的结果是不是可控制在我们想要的范围内了 ？ 我们需要利用好 & 运算的特点，当右边的数的低位二进制是连续的 1 ，且左边是一个均匀的数（需要 hash 方法实现，尽量保证 key 的 h 唯一），那么得到的结果就比较完美了。低位二进制连续的 1，我们很容易想到 2^n - 1; 而关于左边均匀的数，则通过 hash 方法来实现，这里不做细究了。
自此，2 的 n 次幂的相关问题就清楚了
table 的 length 为什么是 2 的 n 次幂
为了利用位运算 & 求 key 的下标
求索引的时候为什么是：h&(length-1)，而不是 h&length，更不是 h%length
h%length 效率不如位运算快
h&length 会提高碰撞几率，导致 table 的空间得不到更充分的利用、降低 table 的操作效率
给各位留个疑问：为什么不直接用 2^n-1 作为 table.length ？ 欢迎评论区留言
问题 5：指定 initialCapacity
当我们指定了 initialCapacity，HashMap的构造方法有些许不同，如下所示
调用 tableSizeFor 进行 threshold 的初始化
/**
* Returns a power of two size for the given target capacity.
* 返回 >= cap 最小的 2^n
* cap = 10, 则返回 2^4 = 16;
* cap = 5, 则返回 2^3 = 8;
*/
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;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
虽然此处初始化的是 threshold，但后面初始化 table 的时候，会将其用于 table 的 length，同时会重置 threshold 为 table.length * loadFactor
自此，问题 5 也就清楚了
Map map = new HashMap(1000); 当我们存入多少个元素时会触发map的扩容
此时的 table.length = 2^10 = 1024; threshold = 1024 * 0.75 = 768; 所以存入第 769 个元素时进行扩容
Map map1 = new HashMap(10000); 我们存入第 10001个元素时会触发 map1 扩容吗
此时的 table.length = 2^14 = 16384; threshold = 16384 * 0.75 = 12288; 所以存入第 10001 个元素时不会进行扩容
问题6：加载因子
为什么加载因子的默认值是 0.75，并且不推荐我们修改
如果loadFactor太小，那么map中的table需要不断的扩容，扩容是个耗时的过程
如果loadFactor太大，那么map中table放满了也不不会扩容，导致冲突越来越多，解决冲突而起的链表越来越长，效率越来越低
而 0.75 这是一个折中的值，是一个比较理想的值
- 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 需要不断的扩容，影响 put 效率；太大会导致碰撞越来越多，链表越来越长（转红黑树），影响效率；0.75 是一个比较理想的中间值
3、table.length = 2^n、hash 方法获取 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，也保证了操作效率
环环相扣的，而不是心血来潮的随意处理；缺了一环，其他的环就无意义了！
4、网上有个 put 方法的流程图画的挺好，我就偷懒了
作者 | 青石路
来源 | cnblogs.com/youzhibing/p/11833040.html
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