hashmap 扩容是元素还是数组_HashMap 中的容量与扩容实现

总有人心里有火炬，而且彼此能看见。

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 extends K, ? extends V> 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。更多面试题，欢迎关注 公众号Java面试题精选

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%lengthh%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，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

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远程调试Java应用程序意味着使用本地开发环境连接到远程运行的应用程序。 Java开箱即-agentlib:jdwp[options]支持远程调试&#xff1a;目标应用程序必须使用-agentlib:jdwp[options]选项执行&#xff0c; -agentlib:jdwp[options]选项加​​载Java调试线协议&#xff08;jdwp&…
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