认真研究HashMap的初始化和扩容机制
本文我们总结HashMap在jdk1.8/jdk1.7下的初始化和扩容机制。
【1】jdk1.8下
① 初始化
HashMap的初始化可以有如下几种方式：
public HashMap(int initialCapacity); public HashMap() ; public HashMap(Map m) public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
loadFactor是负载因子，默认是0.75。在实例化HashMap时可以指定初始容量。如果你指定了初始容量，那么就会触发tableSizeFor(initialCapacity);方法，其将会计算threshold值。
其目的就是是将传进来的参数转变为2的n次方的数值然后赋予threshold。>>>表示无符号右移，也叫逻辑右移，即若该数为正，则高位补0。这样就是保证了HashMap容量必须是2的整数幂，比如传入12那么得到的threshold为16。
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 = MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1; }
根据HashMap的构造函数可以发现，此时其核心成员transient Node[] table还是null，并未被初始化。指定初始化容量只是对阈值threshold进行了初始化。
② 扩容
扩容的场景
putMapEntries时如果HashMap.size>threshold，触发扩容；
putVal时如果tab未被初始化，则触发扩容；
putVal后如果++size > threshold则触发扩容；也就是整个HashMap中元素个数大于阈值，就会触发扩容
treeifyBin链表转化为红黑树时如果tab.length<MIN_TREEIFY_CAPACITY(64)，则触发扩容；
computeIfAbsent 或 compute 或 merge时如果size > threshold || (tab = table) == null ||(n = tab.length) == 0触发扩容；
代码如下所示，这里先说明一点，扩容的本质是获取新的容量和新的临界值，并对链表或者树进行转化。
代码如下所示，这里先说明一点，扩容的本质是获取新的容量和新的临界值，并对链表或者树进行转化。 final
(1) 对链表的处理
如上所示，这里使用(e.hash & oldCap) == 0来判断是否需要拆分链表。如果结果为0，则位置不变，(链表的头结点)仍旧是newTab[j]。如果结果不为0，则(链表的头结点)放到newTab[j + oldCap]位置处。
这里会遍历旧链表的每个结点，通过判断来尝试得到两个链表并记录两个链表的头结点。
那么这里有两个问题：为什么使用(e.hash & oldCap) == 0来判断？为什么改变的位置是newTab[j + oldCap]？
前面我们定位key的索引位置使用的方法是(n-1)&hash。n 表示hashMap的容量(oldCap)也就是tab.length，hash表示key的散列值。也就是说(oldCap-1)&hash相等的key并不意味着(e.hash & oldCap)计算结果也相等，所以存在了拆分链表的可能性（而且只可能拆分为两个链表）。
为什么使用(e.hash & oldCap) == 0来判断？
因为(e.hash & oldCap) == 0，那么位置必然不会发生变化！
我们举例如下。假设oldCap为16，那么扩容后为32。使用(n-1)&hash对一个key来说唯一区别在于高位的1(扩容前后低位都是1)，这也就是为什么使用e.hash & oldCap。如果与这个高位的1进行&运算得到0，表示key的hash在高位这个1位置是0，那么扩容前后进行索引位置运算结果不会发生变化！
32 0010 0000 31 0001 1111 16 0001 0000 15 0000 1111
这也能够解释为什么只可能拆分为两个链表了，因为与高位1进行&运算，结果只有两种。
为什么改变的位置是newTab[j + oldCap]？
前面我们提到过，扩容的时候(newCap = oldCap << 1)，也就是newCap =2*oldCap 。假设oldCap为16，那么扩容后newCap就是32。也就是在(oldCap-1)&hash与(newCap-1)&hash的运算过程中，这个差别仅仅在于后者二进制位高位比前者多了一个1，这个1换算成十进制也就是oldCap。
与高位1的&运算，结果要么是0，要么是1。前者位置不变，后者位置+oldCap。
如下所示四组key分别在新旧数组中的位置，可以看到位置发生改动的 newIndex=oldIndex+olcCap。
key(hash) |
oldCap=16 | newCap=32 |
| key1(16) | 0 | 16 |
| key2(32) | 0 | 0 |
| key3(48) | 0 | 16 |
| key4(64) | 0 | 0 |
(2) 对树结点的处理
对树结点的处理如下所示，首先从当前结点开始遍历next，同上述链表处理一致。尝试获取两棵树(一棵位置改变，一棵位置+oldCap)。与链表不同的时，扩容的时候还会判断树的结点数量是否满足<=UNTREEIFY_THRESHOLD = 6，如果是，则将树结点转换为链表。
((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap); // int bit = oldCap int index = j final void split(HashMap map, Node[] tab, int index, int bit) { TreeNode b = this; // Relink into lo and hi lists, preserving order //数组索引位置没有发生变化的 TreeNode loHead = null, loTail = null; //数组索引位置发生变化的 TreeNode hiHead = null, hiTail = null; int lc = 0, hc = 0; for (TreeNode e = b, next; e != null; e = next) { next = (TreeNode)e.next; e.next = null; //(e.hash & oldCap) == 0 if ((e.hash & bit) == 0) { if ((e.prev = loTail) == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e;//通过这两步形成链表 ++lc; } else { if ((e.prev = hiTail) == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; ++hc; } } // 到这里for循环结束，也是件检索整个树结点 if (loHead != null) { // UNTREEIFY_THRESHOLD = 6 if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) // 转为链表 tab[index] = loHead.untreeify(map); else { tab[index] = loHead; //如果hiHead 为null，则说明所有节点位置没有发生变化， //其本身就是一棵树，无需再次处理 if (hiHead != null) loHead.treeify(tab); } } if (hiHead != null) { //转为链表 tab[index + bit]其实就是tab[j+oldCap] if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) //转为链表 tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map); else { tab[index + bit] = hiHead; if (loHead != null) //转为树，思路同上 hiHead.treeify(tab); } } }
关于树结点的转化我们另起篇章说明。整体扩容流程如下所示：
【2】Jdk1.7下
① 初始化
HashMap的几个构造方法如下所示：
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)； public HashMap(int initialCapacity)； public HashMap() { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR); } public HashMap(Map m)
与jdk1.8不同的是，实例化时就初始化了threshold 和capacity 并由此 创建了数组table(这样就存在了空间浪费)，如下所示：
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); // Find a power of 2 >= initialCapacity // 这里使用了while，jdk1.8采取的位运算 int capacity = 1; while (capacity < initialCapacity) capacity <<= 1; this.loadFactor = loadFactor; threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); // 实例化时就为数组分配了空间 table = new Entry[capacity]; useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() && (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD); init(); }
② 扩容
如下所示在put方法中新增结点可能会触发扩容，newCapacity=2*table.length，也就是2倍扩容。
resize方法
void resize(int newCapacity) { Entry[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; //对旧容量做了最大值判断，如果已经达到最大值则更新threshold ，直接return if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return; } //实例化新数组，容量为newCapacity Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; boolean oldAltHashing = useAltHashing; useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() && (newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD); boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing; // 数据的转化-旧数组的数据转到新数组中 transfer(newTable, rehash); //table指向新数组 table = newTable; //计算并更新threshold threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); }
transfer方法
jdk1.7.0_17中HashMap的transfer方法如下所示：
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) { int newCapacity = newTable.length; //遍历数组中的每个“链表” for (Entry e : table) { while(null != e) { //对链表中的每个结点进行循环 Entry next = e.next; if (rehash) { e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key); } // h & (length-1) 计算当前结点在新数组中的位置 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //头插法，会形成倒排效果 e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; //更新 e 为下一个结点 e = next; } } }
我们以如下为例来描述一下数组的转换过程。再次强调一下，(oldCap-1)&hash 与 (newCap-1)&hash不一定相等！
① 首先获取到e=a， Entry next=b，a.next=newTable[i]（假设i是0,此时a.next=null）,newTable[0]=a,e=b。
② 此时e=b， Entry next=c，b.next=newTable[i]（假设i是0,此时b.next=a）,newTable[0]=b,e=c。
③ 此时e=c， Entry next=null，c.next=newTable[i]（假设 i 是16,发生位置改变,此时c.next=null）,newTable[16]=c,e=null,将结束本次循环。跳到位置 1 处…
由于jdk1.7是遍历过程中对每一个结点进行了重新定位，那么并发扩容下是否会存在问题？我们在另一篇博文说明。
【3】仔细分析tableSizeFor方法
可以发现tableSizeFor方法保证了无论指定了什么initialCapacity，都会返回一个2^n的数。当在实例化HashMap实例时，如果给定了initialCapacity，由于HashMap的capacity都是2的幂，因此这个方法用于找到大于等于initialCapacity的最小的2的幂(initialCapacity如果就是2的幂，则返回的还是这个数)。
下面我们仔细分析tableSizeFor方法。
static final int tableSizeFor(int cap) { int n = cap - 1;//① n |= n >>> 1;//② n |= n >>> 2;//③ n |= n >>> 4;//④ n |= n >>> 8;//⑤ n |= n >>> 16;//⑥ return (n = MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;//⑦ }
① cap-1
这是为了防止，cap已经是2的幂。如果cap已经是2的幂， 又没有执行这个减1操作，则执行完后面的几条无符号右移操作之后，返回的capacity将是这个cap的2倍。
② n |= n >>> 1
无符号按位右移运算符。左操作数按位右移右操作数指定的位数，符号位跟着移动，空出来的高位补0(左边补充的值永远为0，不管其最高位（符号位）的值)。
先进行无符号右移一位(相当于n/2)，然后再与n进行|运算(输入2个参数，a、b对应位只要有一个为1，c对应位就为1；反之为0)。
由于n不等于0，则n的二进制表示中总会有一bit为1，这时考虑最高位的1。通过无符号右移1位，则将最高位的1右移了1位，再做或操作，使得n的二进制表示中与最高位的1紧邻的右边一位也为1，如000011xxxxxx。
③ n |= n >>> 2;
注意，这个n已经经过了n |= n >>> 1; 操作。假设此时n为000011xxxxxx ，则n无符号右移两位，会将最高位两个连续的1右移两位，然后再与原来的n做或操作，这样n的二进制表示的高位中会有4个连续的1。如00001111xxxxxx 。
④ n |= n >>> 4;
这次把已经有的高位中的连续的4个1，右移4位，再做或操作，这样n的二进制表示的高位中会有8个连续的1。如00001111 1111xxxxxx 。
以此类推
注意，容量最大也就是32bit的正数，因此最后n |= n >>> 16; ，最多也就31个1(int最大正数值)，但是这时已经大于了MAXIMUM_CAPACITY ，所以取值到MAXIMUM_CAPACITY 。
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30
图例如下：
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