面经手册 · 第4篇《HashMap数据插入、查找、删除、遍历,源码分析》
作者:小傅哥
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一、前言
在上一章节我们讲解并用数据验证了,HashMap中的,散列表的实现
、扰动函数
、负载因子
以及扩容拆分
等核心知识点以及相应的作用。
除了以上这些知识点外,HashMap还有基本的数据功能;存储
、删除
、获取
、遍历
,在这些功能中经常会听到链表、红黑树、之间转换等功能。而红黑树是在jdk1.8引入到HashMap中解决链表过长问题的,简单说当链表长度>=8
时,将链表转换位红黑树(当然这里还有一个扩容的知识点,不一定都会树化[MIN_TREEIFY_CAPACITY])。
那么本章节会进行讲解以下知识点;
- 数据插入流程和源码分析
- 链表树化以及树转链表
- 遍历过程中的无序Set的核心知识
🕵注意: 建议阅读上一篇后,再阅读本篇文章《HashMap核心知识,扰动函数、负载因子、扩容链表拆分,深度学习》
二、HashMap源码分析
1. 插入
1.1 疑问点&考题
通过上一章节的学习:《HashMap核心知识,扰动函数、负载因子、扩容链表拆分,深度学习》
大家对于一个散列表数据结构的HashMap往里面插入数据时,基本已经有了一个印象。简单来说就是通过你的Key值取得哈希再计算下标,之后把相应的数据存放到里面。
但再这个过程中会遇到一些问题,比如;
- 如果出现哈希值计算的下标碰撞了怎么办?
- 如果碰撞了是扩容数组还是把值存成链表结构,让一个节点有多个值存放呢?
- 如果存放的数据的链表过长,就失去了散列表的性能了,怎么办呢?
- 如果想解决链表过长,什么时候使用树结构呢,使用哪种树呢?
这些疑问点都会在后面的内容中逐步讲解,也可以自己思考一下,如果是你来设计,你会怎么做。
1.2 插入流程和源码分析
HashMap插入数据流程图
visio原版流程图,可以通过关注公众号:bugstack虫洞栈,进行下载
以上就是HashMap中一个数据插入的整体流程,包括了;计算下标、何时扩容、何时链表转红黑树等,具体如下;
-
首先进行哈希值的扰动,获取一个新的哈希值。
(key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
-
判断tab是否位空或者长度为0,如果是则进行扩容操作。
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) n = (tab = resize()).length;
-
根据哈希值计算下标,如果对应小标正好没有存放数据,则直接插入即可否则需要覆盖。
tab[i = (n - 1) & hash])
-
判断tab[i]是否为树节点,否则向链表中插入数据,是则向树中插入节点。
-
如果链表中插入节点的时候,链表长度大于等于8,则需要把链表转换为红黑树。
treeifyBin(tab, hash);
-
最后所有元素处理完成后,判断是否超过阈值;
threshold
,超过则扩容。 -
treeifyBin
,是一个链表转树的方法,但不是所有的链表长度为8后都会转成树,还需要判断存放key值的数组桶长度是否小于64MIN_TREEIFY_CAPACITY
。如果小于则需要扩容,扩容后链表上的数据会被拆分散列的相应的桶节点上,也就把链表长度缩短了。
JDK1.8 HashMap的put方法源码如下:
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 初始化桶数组 table,table 被延迟到插入新数据时再进行初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
// 如果桶中不包含键值对节点引用,则将新键值对节点的引用存入桶中即可
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
// 如果键的值以及节点 hash 等于链表中的第一个键值对节点时,则将 e 指向该键值对
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
// 如果桶中的引用类型为 TreeNode,则调用红黑树的插入方法
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
// 对链表进行遍历,并统计链表长度
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
// 链表中不包含要插入的键值对节点时,则将该节点接在链表的最后
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
// 如果链表长度大于或等于树化阈值,则进行树化操作
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
// 条件为 true,表示当前链表包含要插入的键值对,终止遍历
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
// 判断要插入的键值对是否存在 HashMap 中
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
// onlyIfAbsent 表示是否仅在 oldValue 为 null 的情况下更新键值对的值
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
// 键值对数量超过阈值时,则进行扩容
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
1.3 扩容机制
HashMap是基于数组+链表和红黑树实现的,但用于存放key值得的数组桶的长度是固定的,由初始化决定。
那么,随着数据的插入数量增加以及负载因子的作用下,就需要扩容来存放更多的数据。而扩容中有一个非常重要的点,就是jdk1.8中的优化操作,可以不需要再重新计算每一个元素的哈希值,这在上一章节中已经讲到,可以阅读系列专题文章,机制如下图;
里我们主要看下扩容的代码(注释部分);
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
// Cap 是 capacity 的缩写,容量。如果容量不为空,则说明已经初始化。
if (oldCap > 0) {
// 如果容量达到最大1 << 30则不再扩容
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 按旧容量和阀值的2倍计算新容量和阀值
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
// initial capacity was placed in threshold 翻译过来的意思,如下;
// 初始化时,将 threshold 的值赋值给 newCap,
// HashMap 使用 threshold 变量暂时保存 initialCapacity 参数的值
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
// 这一部分也是,源代码中也有相应的英文注释
// 调用无参构造方法时,数组桶数组容量为默认容量 1 << 4; aka 16
// 阀值;是默认容量与负载因子的乘积,0.75
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// newThr为0,则使用阀值公式计算容量
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
// 初始化数组桶,用于存放key
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 如果旧数组桶,oldCap有值,则遍历将键值映射到新数组桶中
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)
// 这里split,是红黑树拆分操作。在重新映射时操作的。
((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;
// 这里是链表,如果当前是按照链表存放的,则将链表节点按原顺序进行分组{这里有专门的文章介绍,如何不需要重新计算哈希值进行拆分《HashMap核心知识,扰动函数、负载因子、扩容链表拆分,深度学习》}
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);
// 将分组后的链表映射到桶中
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
以上的代码稍微有些长,但是整体的逻辑还是蛮清晰的,主要包括;
- 扩容时计算出新的newCap、newThr,这是两个单词的缩写,一个是Capacity ,另一个是阀Threshold
- newCap用于创新的数组桶
new Node[newCap];
- 随着扩容后,原来那些因为哈希碰撞,存放成链表和红黑树的元素,都需要进行拆分存放到新的位置中。
1.4 链表树化
HashMap这种散列表的数据结构,最大的性能在于可以O(1)时间复杂度定位到元素,但因为哈希碰撞不得已在一个下标里存放多组数据,那么jdk1.8之前的设计只是采用链表的方式进行存放,如果需要从链表中定位到数据时间复杂度就是O(n),链表越长性能越差。因为在jdk1.8中把过长的链表也就是8个,优化为自平衡的红黑树结构,以此让定位元素的时间复杂度优化近似于O(logn),这样来提升元素查找的效率。但也不是完全抛弃链表,因为在元素相对不多的情况下,链表的插入速度更快,所以综合考虑下设定阈值为8才进行红黑树转换操作。
链表转红黑树,如下图;
以上就是一组链表转换为红黑树的情况,元素包括;40、51、62、73、84、95、150、161 这些是经过实际验证可分配到Idx:12的节点
通过这张图,基本可以有一个链表
换行到红黑树
的印象,接下来阅读下对应的源码。
链表树化源码
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
// 这块就是我们上面提到的,不一定树化还可能只是扩容。主要桶数组容量是否小于64 MIN_TREEIFY_CAPACITY
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
// 又是单词缩写;hd = head (头部),tl = tile (结尾)
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
do {
// 将普通节点转换为树节点,但此时还不是红黑树,也就是说还不一定平衡
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
// 转红黑树操作,这里需要循环比较,染色、旋转。关于红黑树,在下一章节详细讲解
hd.treeify(tab);
}
}
这一部分链表树化的操作并不复杂,复杂点在于下一层的红黑树转换上,这部分知识点会在后续章节中专门介绍;
以上源码主要包括的知识点如下;
- 链表树化的条件有两点;链表长度大于等于8、桶容量大于64,否则只是扩容,不会树化。
- 链表树化的过程中是先由链表转换为树节点,此时的树可能不是一颗平衡树。同时在树转换过程中会记录链表的顺序,
tl.next = p
,这主要方便后续树转链表和拆分更方便。 - 链表转换成树完成后,在进行红黑树的转换。先简单介绍下,红黑树的转换需要染色和旋转,以及比对大小。在比较元素的大小中,有一个比较有意思的方法,
tieBreakOrder
加时赛,这主要是因为HashMap没有像TreeMap那样本身就有Comparator的实现。
1.5 红黑树转链
在链表转红黑树中我们重点介绍了一句,在转换树的过程中,记录了原有链表的顺序。
那么,这就简单了,红黑树转链表时候,直接把TreeNode转换为Node即可,源码如下;
final Node<K,V> untreeify(HashMap<K,V> map) {
Node<K,V> hd = null, tl = null;
// 遍历TreeNode
for (Node<K,V> q = this; q != null; q = q.next) {
// TreeNode替换Node
Node<K,V> p = map.replacementNode(q, null);
if (tl == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
return hd;
}
// 替换方法
Node<K,V> replacementNode(Node<K,V> p, Node<K,V> next) {
return new Node<>(p.hash, p.key, p.value, next);
}
因为记录了链表关系,所以替换过程很容易。所以好的数据结构可以让操作变得更加容易。
2. 查找
上图就是HashMap查找的一个流程图,还是比较简单的,同时也是高效的。
接下来我们在结合代码,来分析这段流程,如下;
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
// 同样需要经过扰动函数计算哈希值
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
// 判断桶数组的是否为空和长度值
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
// 计算下标,哈希值与数组长度-1
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
// TreeNode 节点直接调用红黑树的查找方法,时间复杂度O(logn)
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
// 如果是链表就依次遍历查找
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
以上查找的代码还是比较简单的,主要包括以下知识点;
- 扰动函数的使用,获取新的哈希值,这在上一章节已经讲过
- 下标的计算,同样也介绍过
tab[(n - 1) & hash])
- 确定了桶数组下标位置,接下来就是对红黑树和链表进行查找和遍历操作了
3. 删除
public V remove(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
null : e.value;
}
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;
// 定位桶数组中的下标位置,index = (n - 1) & hash
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;
// 如果键的值与链表第一个节点相等,则将 node 指向该节点
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
// 树节点,调用红黑树的查找方法,定位节点。
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
// 遍历链表,找到待删除节点
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
// 删除节点,以及红黑树需要修复,因为删除后会破坏平衡性。链表的删除更加简单。
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
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;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
- 删除的操作也比较简单,这里面都没有太多的复杂的逻辑。
- 另外红黑树的操作因为被包装了,只看使用上也是很容易。
4. 遍历
4.1 问题点
HashMap中的遍历也是非常常用的API方法,包括;
KeySet
for (String key : map.keySet()) {
System.out.print(key + " ");
}
EntrySet
for (HashMap.Entry entry : map.entrySet()) {
System.out.print(entry + " ");
}
从方法上以及日常使用都知道,KeySet是遍历是无序的,但每次使用不同方式遍历包括keys.iterator()
,它们遍历的结果是固定的。
那么从实现的角度来看,这些种遍历都是从散列表中的链表和红黑树获取集合值,那么他们有一个什么固定的规律吗?
4.2 用代码测试
测试的场景和前提;
- 这里我们要设定一个既有红黑树又有链表结构的数据场景
- 为了可以有这样的数据结构,我们最好把HashMap的初始长度设定为64,避免在链表超过8位后扩容,而是直接让其转换为红黑树。
- 找到18个元素,分别放在不同节点(这些数据通过程序计算得来);
- 桶数组02节点:24、46、68
- 桶数组07节点:29
- 桶数组12节点:150、172、194、271、293、370、392、491、590
代码测试
@Test
public void test_Iterator() {
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(64);
map.put("24", "Idx:2");
map.put("46", "Idx:2");
map.put("68", "Idx:2");
map.put("29", "Idx:7");
map.put("150", "Idx:12");
map.put("172", "Idx:12");
map.put("194", "Idx:12");
map.put("271", "Idx:12");
System.out.println("排序01:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.print(key + " ");
}
map.put("293", "Idx:12");
map.put("370", "Idx:12");
map.put("392", "Idx:12");
map.put("491", "Idx:12");
map.put("590", "Idx:12");
System.out.println("\n\n排序02:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.print(key + " ");
}
map.remove("293");
map.remove("370");
map.remove("392");
map.remove("491");
map.remove("590");
System.out.println("\n\n排序03:");
for (String key : map.keySet()) {
System.out.print(key + " ");
}
}
这段代码分别测试了三种场景,如下;
- 添加元素,在HashMap还是只链表结构时,输出测试结果01
- 添加元素,在HashMap转换为红黑树时候,输出测试结果02
- 删除元素,在HashMap转换为链表结构时,输出测试结果03
4.3 测试结果分析
排序01:
24 46 68 29 150 172 194 271
排序02:
24 46 68 29 271 150 172 194 293 370 392 491 590
排序03:
24 46 68 29 172 271 150 194
Process finished with exit code 0
从map.keySet()测试结果可以看到,如下信息;
- 01情况下,排序定位哈希值下标和链表信息
- 02情况下,因为链表转换为红黑树,树根会移动到数组头部。
moveRootToFront()方法
- 03情况下,因为删除了部分元素,红黑树退化成链表。
三、总结
- 这一篇API源码以及逻辑与上一篇数据结构中扰动函数、负载因子、散列表实现等,内容的结合,算是把HashMap基本常用技术点,梳理完成了。但知识绝不止于此,这里还有红黑树的相关技术内容,后续会进行详细。
- 除了HashMap以外还有TreeMap、ConcurrentHashMap等,每一个核心类都有一些相关的核心知识点,每一个都非常值得深入研究。这个烧脑的过程,是学习获得知识的最佳方式。
- 可能关于HashMap还有一些疏漏的点,也希望阅读的小伙伴可以提出更多的问题,互相学习,共同进步,本文就到这里,感谢您的阅读!
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