深入JAVA8的HashMap实现原理

¶引导

在了解HashMap之前，我们应该先明白两个概念：Hash和Map，这可以帮助我们更容易了解HashMap的运行原理。

那么何为Hash，又何为Map呢？

¶Hash

之前写过一篇关于Hash的文章 Hash

¶Map

Map是一种K-V形式的数据结构，一个唯一的key，会唯一对应一个value。也就是说，在Map容器里不允许两个一模一样的key。

一个简单的Map结构如下：

{
  "key1":"value1",
  "key2":"value2",
  "key3":"value3"
}

对于这种数据结构，并且Map会对外提供一些方法来实现对内部数据的操作：

V put(K key, V value)
V get(Object key)
V remove(Object key)
boolean containsKey(Object key)

可见Map对于我们操作K-V形式的数据非常方便，实现的方式有很多，最简单粗暴的实现方式是使用List来存储每一个K-V组对，对于每种方法的实现只需要暴力循环碰撞即可，对于少量数据这种做法未必不可，如果数据量庞大之千万，我们就要换一种更加高效，速度更快的实现方式：HashMap。

¶HashMap

Map在Java中的实现有很多，HashMap便是其中之一，在JDK漫长的版本更新中，HashMap的实现也是在不断的更新着：

• <=JDK1.7：Table数组 + Entry链表
• >=JDK1.8：Table数组 + Entry链表/红黑树

本文我们跳过JDK1.7的实现，来看一下1.8中HashMap源码所带来的魅力冲击！

¶实现原理

对于各个版本的HashMap实现原理，主线流程都是一成不变的：

这里有两个数据结构需要我们知道：

• Table：哈希表，存放Node元素。
• Node：结点元素，存放K-V组对信息，其结构是一个链表/红黑树。

另外，在HashMap内部有一些关键属性我们也要了解一下：

• DEFAULT_INITIAL_CAPACITY：Table数组初始长度，默认为1 << 4，2^4 = 16。
• MAXIMUM_CAPACITY：Table数组最高长度，默认为1 << 30，2^30 = 1073741824。
• DEFAULT_LOAD_FACTOR：负载因子，当总元素数 > 数组长度 * 负载因子时，Table数组将会扩容，默认为0.75。
• TREEIFY_THRESHOLD：树化阈值，当单个Table内Node数量超过该值，则会将链表转化为红黑树，默认为8。
• UNTREEIFY_THRESHOLD：链化阈值，当扩容期间单个Table内Entry数量小于该值，则将红黑树转化为链表，默认为6。
• MIN_TREEIFY_CAPACITY：最小树化阈值，当Table所有元素超过改值，才会进行树化（为了防止前期阶段频繁扩容和树化过程冲突）。
• size：Table数组当前所有元素数。
• threshold：下次扩容的阈值（数组长度 * 负载因子）

HashMap的内部有着一个Table数组，而这个数组的初始长度为DEFAULT_INITIAL_CAPACITY参数值，Table数组存放的元素类型就是Node，它是一个单向链表：

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  final int hash; //key的hash值
  final K key;  //key
  V value;  //value
  Node<K,V> next; //下一个结点
}

每个Table中存的Node元素相当于链表的header，next指向下一个结点，而这种链式结构的存在正是为了解决hash冲突：

hash冲突：两个元素的经过Hash散列之后分在同一个组内，我们将之解释为Hash冲突

在JDK1.7之前的版本，hash冲突的解决方法是将被冲突的Node结点放于一个链表中，而Table中的元素则是链头，当然在JDK1.8中，当Table中链长超过TREEIFY_THRESHOLD阈值后，将会将链表转变为红黑树的实现TreeNode：

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;
}

当发生hash冲突的Node不断变多，那么这个链将会越来越长，那么遍历碰撞key时的耗时就会不断增加，这也就直接导致了性能的不足，从JDK1.8开始，HashMap对于单个Table中的Node超出某个阈值时，将会开始树化操作（链表转化为红黑树），这对于搜索的性能将会有很大的提升，而插入和删除的操作所带来的性能影响微乎其微。

¶put方法

在HashMap的内部会有一个Table数组，这个数组的当前长度就是我们要实现映射的目标范围，当我们执行put方法时，key和value要经历这些事情：

• 通过Hash散列获取到对应的Table
• 遍历Table下的Node结点，做更新/添加操作
• 扩容检测

具体实现我们可以根据源码来详细了解一下：

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)
        // HashMap的懒加载策略，当执行put操作时检测Table数组初始化。
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        //通过``Hash``函数获取到对应的Table，如果当前Table为空，则直接初始化一个新的Node并放入该Table中。
        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))))
            //输入的key命中了当前Table的首元素，直接更新。
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            //如果当前Node类型为TreeNode，调用``putTreeVal``方法。
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            //如果不是TreeNode，则就是链表，遍历并与输入key做命中碰撞。
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    //如果当前Table中不存在当前key，则添加。
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        //超过了``TREEIFY_THRESHOLD``则转化为红黑树。
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    //做命中碰撞，使用hash、内存和equals同时判断（不同的元素hash可能会一致）。
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) {
            //如果命中不为空，更新操作。
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        //扩容检测。
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

对于其过程中的关于Node链表和红黑树的转换过程我们可以暂时屏蔽掉，那么整个流程并不是很绕，那么我们继续深入的来看一下HashMap的扩容实现。

¶resize方法

HashMap的扩容大致的实现是将老Table数组中所有的Entry取出来，重新对其hashcode做Hash散列到新的新的Table之中，也就是一个re-put的过程，具体还是通过源码来讲解：

final Node<K,V>[] resize() {
    //保留老的hash表
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    //如果之前的容量大于0
    if (oldCap > 0) {
        //如果超出最大容量
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            //扩容阈值为int最大值
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        //否则计算扩容后的阈值
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0)
        // 如果之前的容量等于0，并且之前的阈值大于零，则新的hash表长度就等于它
        newCap = oldThr;
    else {              
        // 初始阈值为零表示使用默认值
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    //如果新的阈值为 0 ，就得用 新容量*加载因子 重计算一次
    if (newThr == 0) {

        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    //常见扩容后的hash表
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab; //A
    if (oldTab != null) {
        //遍历旧的hash表，将之内部元素转移到新的hash表
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    //如果当前Table内只有一个元素，重新做hash散列并赋值
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; //B
                else if (e instanceof TreeNode)
                    //如果旧哈希表中这个位置的桶是树形结构，就要把新哈希表里当前桶也变成树形结构
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { //保留旧哈希表桶中链表的顺序
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {  //遍历当前Table内的Node，赋值给新的Table
                        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;
}

¶get方法

在我们看完HashMap对于put方法的实现之后，get方法则显得简单易懂，其代码与put相近无几，主要差别是没有了扩容和添加/更新的操作：

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    //判断hash表是否为空，表重读是否大于零并且当前key对应分布的表内是否有Node存在
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash &&
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            // 检测第一个Node，命中则不需要在做do...while...循环
            return first;
        if ((e = first.next) != null) {
            if (first instanceof TreeNode)
                //如果Table内是树形结构，则使用对应的检索方法
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do { //如果是链表，则做while循环，直到命中或者遍历结束
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

¶containsKey方法

根据get方法的结果是否为空就可以直到是否包含该key：

public boolean containsKey(Object key) {
    return getNode(hash(key), key) != null;
}

¶remove方法

同样类似于put操作，首先会查找对应的key所在位置，如果为空，则不操作，反之，将之移除：

final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    //判断hash表是否为空，表重读是否大于零并且当前key对应分布的表内是否有Node存在
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            // 第一个Node命中
            node = p;
        else if ((e = p.next) != null) {
            if (p instanceof TreeNode)
                //如果Table内是树形结构，则使用对应的检索方法
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            else {
                do { //如果是链表，则做while循环，直到命中或者遍历结束
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {
            //如果命中到了对应的Node，则根据Node结构进行对应的移除操作
            if (node instanceof TreeNode)
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            else if (node == p)
                tab[index] = node.next;
            else
                p.next = node.next;
            ++modCount;
            //修改hash表元素数
            --size;
            afterNodeRemoval(node);
            return node;
        }
    }
    return null;
}

¶为何线程不安全？

看完了HashMap的实现之后，就该谈一谈它为什么存在线程安全问题！

¶数据丢失

首先，我们将目光放在put方法的实现中，假设有两个线程在同时进行put操作，对应的数据分别为：

thread-1： put(1, 'abc');
thread-2： put(1, 'efg');

假设此时Hash表的长度为10，且已经有两个元素在，负载因子为默认值0.75f，那么操作过程一定不会扩容，并且两个线程put的key都是1，那么它们将会分配到同一个table中，下方代码为put方法中的其中一段，其主要作用是遍历当前表内Node，寻找与当前key一样的Node结点，之后再做添加/更新操作。

for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
   if ((e = p.next) == null) {
       p.next = newNode(hash, key, value, null); // A
       if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
           treeifyBin(tab, hash);
       break;
   }
   if (e.hash == hash &&
       ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
       break;
   p = e;
}

假设两个线程同时执行到了A这个位置，此时获取到的p是统一个对象，下一刻，cpu运转，两个线程同时运行，那么p.next的值将会是最后一个线程put的value值，而前一个则会丢失，这就会导致丢数据的情况！

当然该情景同样会发生于resize和remove操作，至于为什么，大家可以思考一下！

¶size不准确

这个就很简单了，为什么不准确呢，来看一下size变量在HashMap内部的定义：

transient int size;

内存不可见并且增减操作未加锁，多线程操作下属于非原子操作！

¶闭环死锁

这个问题在JDK1.8版本的HashMap中已经不存在了，至于为啥，我要先讲一下在1.8之前的HashMap为什么会存在闭环死锁问题！

从闭环这个名词上我们分析一下是什么问题，什么是闭环的，如果链表形成了一个环会不会就是闭环呢？而链表如何才会形成环？带着这些问题，我们在脑海中抽象出一个模型：

graph LR
A-->B
B-->A

假设某一个Table中的Node链表发生了上述问题，那么我们在遍历时进行do{ }while ((e = e.next) != null);操作就会发生死锁的问题，那么看来我们的猜想方向是正确的，那么我们就具体分析一下HashMap在什么操作之中会产生闭环的问题，不过在此之前，我们要明白因果：

因：???
果：闭环

我们知道，只有当两个结点内部的next相互引用对方的时候才会死锁，这种场景只能在两个已经存在同一个链上的结点同时以相反的方向被操作next引用的时候才会发生，而在HashMap内部，符合这种场景的只有一个方法：resize，那我们就来看一下JDK1.7的resize方法实现：

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }

    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    boolean oldAltHashing = useAltHashing;
    useAltHashing |= sun.misc.VM.isBooted() &&
            (newCapacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
    boolean rehash = oldAltHashing ^ useAltHashing;
    //fu
    transfer(newTable, rehash);
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

进入transfer方法中，其内部实现了扩容过程：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) { // A
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

我们发现，在JDK1.7的HashMap的扩容实现中，老的Table中的Node链的顺序赋值给新的Table中时的操作是反置的：

e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;

上述操作是将当前Node的next指针指向当前Table的头结点，之后当前Node又变为了Table的头结点，此时假设A、B两个线程同时执行到了transfer方法中的A位置，并且此时的oldTable和newTable的结构是这样的：

oldTable[]
table-1: a -> b -> c -> null
table-2: null
table-3: null

newTable[]
table-1: null
table-2: null
table-3: null
table-4: null
table-5: null
table-6: null

如果很巧，两个线程在同一个CPU上执行，那么就会存在一个抢占时间片的场景，假设A先抢到了时间片，然后执行一番操作之后，oldTable和newTable的结构如下：

oldTable[]
table-1: a -> null
table-2: null
table-3: null

newTable[]
table-1: null
table-2: c -> b -> a
table-3: null
table-4: null
table-5: null
table-6: null

之后还没等它做oldTable = newTable操作，B抢到了时间片，并也做了同样一番操作，oldTable和newTable的结构如下：

oldTable[]
table-1: a -> null
table-2: null
table-3: null

newTable[]
table-1: null
table-2: a -> c -> b -> a
table-3: null
table-4: null
table-5: null
table-6: null

此时A或者B谁先oldTable = newTable已经无所谓了，因为newTable中已经产生了闭环，之后在进行get或者put操作时，如果不小心触发到了while循环，那将会一直死循环：

do{
  //do some thing
}while ((e = e.next) != null);  //e = e.next将会永不为空

从上述场景产生的过程中我们发现，a -> c -> b -> a这种闭环问题的罪魁祸首是因为1.7中的HashMap在扩容时为了免去再次遍历链表，很聪明的将当前结点作为新链表的头结点，这就会导致顺序反转，所以无序化导致了闭环的产生，而这种问题不仅仅是在HashMap中体现，Mysql的死锁问题的原因常常也是因为反序加行锁导致的！

而在开头说过，JDK1.8已经避免了这个问题，这是为什么呢？看下代码就知道了：

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;  //A
   }
   if (hiTail != null) {
       hiTail.next = null;
       newTab[j + oldCap] = hiHead; //B
   }
}

同样是扩容的操作，JDK1.8中的HashMap通过两个链分别去存储头结点和尾结点以保证它有序，并且不会频繁的去赋值newTable，而是在循环之后直接赋值（请注意A、B标记处），这样就非常简单的避免了产生闭环的陷阱！