HashMap 中的容量与扩容实现，细致入微，值的一品！

时间:2019-11-30 20:51:32
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前言

　　开心一刻　　

　　　　巴闭，你的脚为什么我么我会有味道，让他闻闻看是需要好吃的面的，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，我相信你们你们都能说上来个一二，底层数据形状数组 + 链表（或红黑树），源码如下

/**
 * 数组
 */
transient Node<K,V>[] table;

/**
 * 链表形状
 */
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> 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;
    }
}

/**
 * 红黑树形状
 */
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;
    ...

View Code

　　但面试往往会问的比较细，这类下面的容量问题图片，你们你们能答上来几次？

　　　　1、table 的初始化时机是哪些地方以前，初始化的 table.length 是几次、阀值（threshold）是几次，实际能容下几次元素

　　　　2、哪些地方以前触发扩容，扩容以前的 table.length、阀值各是几次？

　　　　3、table 的 length 为哪些地方是 2 的 n 次幂

　　　　4、求索引的以前为哪些地方是：h&(length-1)，而需要 h&length，更需要 h%length

　　　　5、 Map map = new HashMap(11150); 当你们你们存入几次个元素需要触发map的扩容； Map map1 = new HashMap(111500); 你们你们存入第 11150有一三个元素需要触发 map1 扩容吗

　　　　6、为哪些地方加载因子的默认值是 0.75，有就让不推荐你们你们修改

　　将会你们你们平时关注的少，一旦碰上曾经的连击 + 暴击，你们你们往往不知所措、无从应对；接下来你们你们看看后面的 6 个问题图片，是需要真的难到无法理解，还是你们你们匮乏细心、在自信的自我认为

斗智斗勇，见招拆招

　　上述的问题图片，你们你们怎样才能去找答案 ? 依据有如此来越多种，用的最多的，让他应该是上网查资料、看别人的博客，但我认为最有效、准确的依据是读源码

　　问题图片 1：table 的初始化

　　　　HashMap 的构造依据有如下 4 种

　　　　构造依据 4 和构造依据 1 实际应用的如此来越多，构造依据 2 直接调用的 1（底层实现完整篇一致），构造依据 2 和构造依据 3 比较常用，而最常用的是构造依据 3；此时你们你们以构造依据 3 为前提来分析，而构造依据 2 你们你们则在问题图片 5 中来分析

　　　　使用依据 1 实例化 HashMap 的以前，table 并未进行初始化，那 table 是何时能进行初始化的了？平时你们你们是怎样才能使用 HashMap 的，先实例化、有就让 put、有就让进行许多操作，如下

Map<String,Object> map = new HashMap();
map.put("name", "张三");
map.put("age", 21);

// 后续操作
...

　　　　既然实例化的以前未进行 table 的初始化，那是需要在 put 的以前初始化的了，你们你们来确认下

　　　　 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<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;                    // 第一次 put 的以前

，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<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])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，后续扩容的以前

，走此if分支 将数组元素基因重组到新数组
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> 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<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> 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
}

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　　　　自此，问题图片 1 的答案就明了了

table 的初始化时机是哪些地方以前

    一般情况下，在第一次 put 的以前

，调用 resize 依据进行 table 的初始化（懒初始化，懒加载思想在如此

来越多框架中需要应用！）
    
初始化的 table.length 是几次、阀值（threshold）是几次，实际能容下几次元素
    默认情况下，table.length = 16; 指定了 initialCapacity 的情况装在问题图片 5 中分析
    默认情况下，threshold = 12; 指定了 initialCapacity 的情况装在问题图片 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

　　问题图片 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<K,V>[] tab; Node<K,V> 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<K,V> 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<K,V>)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;
}

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　　　　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<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] 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<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])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<K,V> 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<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> 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;
}

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　　　　自此，问题图片 2 的答案也就清晰了

哪些地方以前

触发扩容，扩容以前

的 table.length、阀值各是几次
    当 size > threshold 的以前

进行扩容
    扩容以前

的 table.length = 旧 table.length * 2,
    扩容以前

的 threshold = 旧 threshold * 2

　　问题图片 3、4 ：2 的 n 次幂

　　　　table 是有一三个数组，如此怎样才能最快的将元素 e 装在数组？当然是找到元素 e 在 table 中对应的位置 index ，有就让 table[index] = e; 就好了；怎样才能找到 e 在 table 中的位置了？你们你们知道我越多通过数组下标（索引）操作数组，而数组的下标类型又是 int ，将会 e 是 int 类型，那好说，就直接用 e 来做数组下标（若 e > table.length，则都需要 e % table.length 来获取下标），可 key - value 中的 key 类型不一定，如此来越多你们你们需要许多统一的依据将 key 转去掉 int ，最好是有一三个 key 对应有一三个唯一的 int (目前还不将会, int有范围限制，对转换依据要求也极高)，如此来越多引入了 hash 依据

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);　　// 这里的除理，有兴趣的都需要琢磨下；我越多



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 以前，你们你们最容易想到的对 value 的 put 和 get 操作你说哪些地方如下

// put
table[h % table.length] = value;

// get
e = table[h % table.length];

　　　　直接取模是你们你们最容易想到的获取下标的依据，有就让最高效的依据吗？

　　　　你们你们知道计算机中的四则运算最终需要转去掉二进制的位运算

　　　　你们你们都需要发现，我越多 & 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&111500=00000;   => 10&16=0;
01011&111500=00000;   => 11&16=0;

　　　　你们你们是需要又有所发现： 10 & 16 与 11 & 16 得到的结果一样，也本来冲突（碰撞）了，如此 10 和 11 对应的 value 会在同有一三个链表中，而 table 的许多位置则永远我越多有元素，这本来是是因为 table 的空间未得到充分利用，一齐还降低了 put 和 get 的波特率（对比数组和链表）；将会是 2 个数进行 & 运算，如此来越多结果由这有一三个数决定，将会你们你们把这有一三个数都做下限制，那得到的结果是需要可控制在你们你们你要的范围内了？你们你们需要利用好 & 运算的特点，当右边的数的低位二进制是连续的 1 ，且左边是有一三个均匀的数（需要 hash 依据实现，尽量保证 key 的 h 唯一），如此得到的结果就比较完美了。低位二进制连续的 1，你们你们很容易想到 2^n - 1; 而关于左边均匀的数，则通过 hash 依据来实现，这里不做细究了。

　　　　自此，2 的 n 次幂的相关问题图片就清楚了

table 的 length 为哪些地方是 2 的 n 次幂
    为了利用位运算 & 求 key 的下标

求索引的以前

为哪些地方是：h&(length-1)，而需要 h&length，更需要 h%length
    h%length 波特率不如位运算快
    h&length 会提高碰撞几率，是是是因为 table 的空间得我越多



更充分的利用、降低 table 的操作波特率

　　　　给各位留个问题图片：为哪些地方不直接用 2^n-1 作为 table.length ？欢迎评论区留言

　　问题图片 5：指定 initialCapacity

　　　　当你们你们指定了 initialCapacity，HashMap的构造依据许多许不同，如下所示　

　　　　调用 tableSizeFor 进行 threshold 的初始化

　　　　着实此处初始化的是 threshold，但后面初始化 table 的以前，会将其用于 table 的 length，同需要重置 threshold 为 table.length * loadFactor

　　　　自此，问题图片 5 也就清楚了

Map map = new HashMap(11150); 当你们你们存入几次个元素需要触发map的扩容
    此时的 table.length = 2^10 = 1024; threshold = 1024 * 0.75 = 768; 如此

来越多存入第 769 个元素时进行扩容

Map map1 = new HashMap(111500); 你们你们存入第 11150有一三个

元素需要触发 map1 扩容吗
    此时的 table.length = 2^14 = 16384; threshold = 16384 * 0.75 = 12288; 如此

来越多存入第 111501 个元素时我越多

进行扩容

　　问题图片6：加载因子

为哪些地方加载因子的默认值是 0.75，有就让不推荐你们你们修改
    将会loadFactor太小，如此

map中的table需要不断的扩容，扩容是个耗时的过程
    将会loadFactor如此

来越多，如此

map中table装在了本来我越多

扩容，是是是因为冲突如此

来越多，除理冲突而起的链表如此

长，波特率如此

低
    而 0.75 这是有一三个

折中的值，是有一三个

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 波特率；如此来越多会是是是因为碰撞如此来越多，链表如此长（转红黑树），影响波特率；0.75 是有一三个比较理想的后面值

　　3、table.length = 2^n、hash 依据获取 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，也保证了操作波特率

　　　　环环相扣的，而需要心血来潮的随意除理；缺了一环，许多的环就无意义了！

　　4、网上有个 put 依据的流程图画的挺好，让他偷懒了

参考

　　 java提高篇（二三）-----HashMap

　　【原创】HashMap复习精讲

　　面试官："准备用HashMap存1w条数据，构造时传111500需要触发扩容吗？"