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資料結構

對 HashMap 的底層資料結構,相信大家都有所瞭解,不同的版本,底層資料結構會有所不同

1.7 的底層資料結構

/** * An empty table instance to share when the table is not inflated. */static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {    final K key;    V value;    Entry<K,V> next;    int hash;        ...}

1.8 的底層資料結構

/** * The table, initialized on first use, and resized as * necessary. When allocated, length is always a power of two. * (We also tolerate length zero in some operations to allow * bootstrapping mechanics that are currently not needed.) */transient Node<K,V>[] table;static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {    final int hash;    final K key;    V value;    Node<K,V> next;    ...}/** * Entry for Tree bins. Extends LinkedHashMap.Entry (which in turn * extends Node) so can be used as extension of either regular or * linked node. */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;        ...} 

但基礎結構還是: 陣列 + 連結串列 ,稱作 雜湊表 或 散列表

只是 1.8 做了最佳化,引進了 紅黑樹 ,來提升連結串列中元素獲取的速度

JDK1.7 頭插

只有元素新增的時候,才會出現連結串列元素的插入,那麼我們先來看看 put 方法

put - 新增元素

原始碼如下

   /**     * Associates the specified value with the specified key in this map.     * If the map previously contained a mapping for the key, the old     * value is replaced.     *     * @param key key with which the specified value is to be associated     * @param value value to be associated with the specified key     * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or     *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.     *         (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map     *         previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)     */    public V put(K key, V value) {        if (table == EMPTY_TABLE) {            inflateTable(threshold);        }        if (key == null)            return putForNullKey(value);        int hash = hash(key);        int i = indexFor(hash, table.length);        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {            Object k;            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {                V oldValue = e.value;                e.value = value;                e.recordAccess(this);                return oldValue;            }        }        modCount++;        addEntry(hash, key, value, i);        return null;    }

直接看程式碼可能不夠直觀,我們結合流程圖來看

什麼?還是不夠直觀?(樓主也這麼覺得)

那我們就結合具體案例來看下這個流程

假設 HashMap 初始狀態

然後依次往裡面新增元素:(2,b), (3,w), (5,e), (9,t), (16,p)

再利用斷點除錯,我們來看看真實情況

一切都對得上,進展的也挺順利

resize - 陣列擴容

上述提到了擴容,但是沒細講,我們來看看擴容的實現

關鍵程式碼如下

/** * Rehashes the contents of this map into a new array with a * larger capacity.  This method is called automatically when the * number of keys in this map reaches its threshold. * * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE. * This has the effect of preventing future calls. * * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two; *        must be greater than current capacity unless current *        capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value *        is irrelevant). */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];    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));    table = newTable;    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);}/** * Transfers all entries from current table to newTable. */void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {    int newCapacity = newTable.length;    for (Entry<K,V> e : table) {        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;        }    }}

主要做了兩件事:1、建立一個新的 Entry 空陣列,長度是原陣列的 2 倍,2、遍歷原陣列,對每個元素重新計算新陣列的索引值,然後放入到新陣列的對應位置

有意思的是這個轉移方法:transfer,我們結合案例來仔細看看

假設擴容之前的狀態如下圖所示

擴容過程如下

利用斷點除錯,我們來看看真實情況

連結串列元素的轉移,還是採用的頭插法

連結串列成環

不管是元素的新增,還是陣列擴容,只要涉及到 hash 衝突,就會採用頭插法將元素新增到連結串列中

上面講了那麼多,看似風平浪靜,實則暗流湧動;單執行緒下,確實不會有什麼問題,那多執行緒下呢 ?我們接著往下看

將設擴容之前的的狀態如下所示

然後,執行緒 1 新增 (1,a) ,執行緒 2 新增 (19,n),執行緒 1 會進行擴容,執行緒 2 也進行擴容,那麼 transfer 的時候就可能出現如下情況

哦豁,連結串列成環了,這就會導致:Infinite Loop

JDK1.8 尾插

1.8就不講那麼詳細了,我們主要來看看 resize 中的元素轉移部分

if (oldTab != null) {    // 從索引 0 開始逐個遍歷舊 table    for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {        Node<K,V> e;        if ((e = oldTab[j]) != null) {            oldTab[j] = null;            if (e.next == null)    // 連結串列只有一個元素                newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;            else if (e instanceof TreeNode)    // 紅黑樹,先不管                ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);            else { // preserve order                // 拆連結串列,拆成兩個子連結串列:索引不變的元素連結串列和有相同偏移量的元素連結串列                // 每個連結串列都保持原有順序                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) {                        // 索引不變的元素連結串列                        if (loTail == null)                            loHead = e;                        else    // 透過尾部去關聯 next,維持了元素原有順序                            loTail.next = e;                        loTail = e;                    }                    else {                        // 相同偏移量的元素連結串列                        if (hiTail == null)                            hiHead = e;                        else    // 透過尾部去關聯 next,維持了元素原有順序                            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;                }            }        }    }}

透過尾插法,維護了連結串列元素的原有順序

在擴容時,頭插法會改變連結串列中元素原本的順序,以至於在併發場景下導致連結串列成環的問題,而尾插法,在擴容時會保持連結串列元素原本的順序,就不會出現連結串列成環的問題

相關疑惑

1、JDK 1.7及之前,為什麼採用頭插法

呃... 這個可能需要問頭插法的實現者了;

但有種說法,我覺得挺有道理:快取的時間區域性性原則,最近訪問過的資料下次大機率會再次訪問,把剛訪問過的元素放在連結串列最前面可以直接被查詢到,減少查詢次數

2、既然頭插法有連結串列成環的問題,為什麼直到 1.8 才採用尾插法來替代頭插法

只有在併發情況下,頭插法才會出現連結串列成環的問題,多執行緒情況下,HashMap 本就非執行緒安全,這就相當於你在它的規則之外出了問題,那能怪誰?

1.8 採用尾插,是對 1.7 的最佳化

3、既然 1.8 沒有連結串列成環的問題,那是不是說明可以把 1.8 中的 HashMap 用在多執行緒中

連結串列成環只是併發問題中的一種,1.8 雖然解決了此問題,但是還是會有很多其他的併發問題,比如:上秒 put 的值,下秒 get 的時候卻不是剛 put 的值;因為操作都沒有加鎖,不是執行緒安全的

總結

1、JDK 1.7 採用頭插法來新增連結串列元素,存在連結串列成環的問題,1.8 中做了最佳化,採用尾插法來新增連結串列元素

2、HashMap 不管在哪個版本都不是執行緒安全的,出了併發問題不要怪 HashMap,從自己身上找原因

參考

https://juejin.im/post/6844903682664824845

https://www.cnblogs.com/youzhibing/p/11833040.html

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