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关于java:HashMap-扩容过程图解

作者：

jiezi

在

本文基于 Java8，通过浏览 HashMap 的 resize 办法理解其扩容原理，并对桶上链表的迁徙过程进行调试，画图以加深了解。

1. 扩容的机会

  1. HashMap 中 put 入第一个元素，初始化数组 table。
  2. HashMap 中的元素数量大于阈值 threshold。

threshold = capacity * load factor。
当 size > threshold 时，触发 rehash。

2. 扩容的源码

/**
 * 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<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) { // 第一次进来，table为null，oldCap为0，不会进入这里
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { // 扩容前的数组大小如果曾经达到最大(2^30)了
            threshold = Integer.MAX_VALUE; // 取整型最大值(2^31-1)，这样当前就不会扩容了
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && // oldCap翻倍失去newCap
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold // 第一次进来，如果手动设置了初始容量initialCapacity，这里为true，则将threshold作为初始容量
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults // 如果没有手动设置initialCapacity，则设为默认值16
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) { // 第一次进来，这里必为true，从新计算 threshold = capacity * Load factor
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) { // 对oldTab中所有元素进行rehash。因为每次扩容是2次幂的扩大(指数组长度/桶数量扩为原来2倍)，所以，元素的地位要么是在原地位，要么是在原地位再挪动2次幂的地位
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) { // 数组j地位的元素不为空，须要该地位上的所有元素进行rehash
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null) // 桶中只有一个元素，则间接rehash
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode) // 桶中是树结构
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order // 桶中是链表构造（JDK1.7中旧链表迁徙新链表的时候，用的是头插法，如果在新表的数组索引地位雷同，则链表元素会倒置；然而JDK1.8不会倒置，用的是双指针）
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null; // low位链表，其桶地位不变，head和tail别离代表首尾指针
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; // high位链表，其桶位于追加后的新数组中
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) { // 是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”
                            if (loTail == null)
                                loHead = e; // 总是指向头结点
                            else
                                loTail.next = e; // 该操作有可能会扭转原链表构造
                            loTail = e; // 总是指向下一个节点，直到尾节点
                        }
                        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; // 原索引
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j + oldCap] = hiHead; // 原索引+oldCap
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

HashMap 中的 resize 办法次要蕴含两局部逻辑：

  1. 初始化数组 table，并设置阈值。
  2. 数组容量翻倍，将元素迁徙到新数组。

在 Java8 中，HashMap 中的桶可能是链表构造，也可能是树结构。
从网上找来一张图，直观展现 HashMap 构造：

如果是链构造

将旧链表拆分成两条新的链表，通过 e.hash & oldCap 来计算新链表在扩容后的数组中的新下标。
当 e.hash & oldCap = 0，则节点在新数组中的索引值与旧索引值雷同。
当 e.hash & oldCap = 1，则节点在新数组中的索引值为旧索引值+旧数组容量。
对 e.hash & oldCap 公式的推导见上一篇文章 《HashMap中的取模和扩容公式推导》

如果是树结构

HashMap 对树结构的定义如下：

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;
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }
}

须要明确的是：TreeNode 既是一个红黑树结构，也是一个双链表构造。

判断节点 e instanceof TreeNode 为 true，则调用 HashMap.TreeNode#split 办法对树进行拆分，而拆分次要用的是 TreeNode 的链表属性。
拆分代码如下：

final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) {
    TreeNode<K,V> b = this;
    // Relink into lo and hi lists, preserving order
    TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null;
    TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
    int lc = 0, hc = 0; // 用于决定红黑树是否要转回链表
    for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) { // 对节点e进行遍历（首先明确：TreeNode既是一个红黑树结构，也是一个双链表构造）
        next = (TreeNode<K,V>)e.next;
        e.next = null; // 把e的下一个节点赋值给next后，断开e与e.next节点
        if ((e.hash & bit) == 0) { // 原索引
            if ((e.prev = loTail) == null)
                loHead = e;
            else
                loTail.next = e;
            loTail = e;
            ++lc;
        }
        else { // 原索引 + oldCap
            if ((e.prev = hiTail) == null)
                hiHead = e;
            else
                hiTail.next = e;
            hiTail = e;
            ++hc;
        }
    }

    if (loHead != null) {
        if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
            tab[index] = loHead.untreeify(map); // 转为链构造
        else {
            tab[index] = loHead;
            if (hiHead != null) // (else is already treeified)
                loHead.treeify(tab); // 转换成树结构
        }
    }
    if (hiHead != null) {
        if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
            tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
        else {
            tab[index + bit] = hiHead;
            if (loHead != null)
                hiHead.treeify(tab);
        }
    }
}

3. 链表迁徙算法

Java8 中如何迁徙桶中的链表呢？
这里构建一个链表 A->B->C 来进行调试。

package com.sumkor.map;

import org.junit.Test;

import java.util.Map;
import java.util.Objects;

/**
 * @author Sumkor https://segmentfault.com/blog/sumkor
 * @since 2021/2/28
 */
public class HashMapTest {

    /**
     * 旧链表数据迁徙至新链表
     * 因为每次扩容是2次幂的扩大(指数组长度/桶数量扩为原来2倍)，所以，元素的地位要么是在原地位，要么是在原地位再挪动2次幂的地位。
     * 本例中，桶的数量由1扩容为2.
     */
    @Test
    public void resizeLink02() {
        int oldCap = 1;
        int newCap = 2;
        Node[] oldTable = new Node[oldCap];
        Node[] newTable = new Node[newCap];

        // A -> B -> C
        Node firstLinkNode03 = new Node(new Integer(3).hashCode(), 3, "C", null);
        Node firstLinkNode02 = new Node(new Integer(2).hashCode(), 2, "B", firstLinkNode03);
        Node firstLinkNode01 = new Node(new Integer(1).hashCode(), 1, "A", firstLinkNode02);
        oldTable[0] = firstLinkNode01;
        // print
        System.out.println("--------------------------");
        System.out.println("原链表：");
        printTable(oldTable);
        System.out.println("--------------------------");

        /**
         * HashMap中resize迁徙算法
         * @see HashMap#resize()
         */
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node loHead = null, loTail = null; // low位链表，其桶地位不变，head和tail别离代表首尾指针
            Node hiHead = null, hiTail = null; // high位链表，其桶位于追加后的新数组中
            Node e = oldTable[j];// 将要解决的元素
            Node next;
            do {
                next = e.next;
                if ((e.hash & oldCap) == 0) { // 是0的话索引没变，是1的话索引变成“原索引+oldCap”
                    if (loTail == null)
                        loHead = e; // 总是指向头结点
                    else
                        loTail.next = e; // 把loTail.next指向e。
                    loTail = e;
                } else {
                    if (hiTail == null)
                        hiHead = e;
                    else
                        hiTail.next = e; // 把hiTail.next指向e。若hiTail.next原先并不指向e，该操作会扭转oldTable[j]上的旧链表构造
                    hiTail = e; // 把hiTail指向e所指向的节点
                }
            } while ((e = next) != null);
            if (loTail != null) {
                loTail.next = null; // 这一步是必须的，loTail.next有可能还其余节点，须要设为null
                newTable[j] = loHead; // 原索引
            }
            if (hiTail != null) {
                hiTail.next = null;
                newTable[j + oldCap] = hiHead; // 原索引+oldCap
            }
        }
        System.out.println("新链表：");
        printTable(newTable);
        System.out.println("--------------------------");
    }

    /**
     * HashMap 中的 Node 构造，打印
     */
    private void printTable(Node[] table) {
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            Node tmpNode = table[i];// 用于打印，不扭转table的构造
            while (tmpNode != null) {
                System.out.print(tmpNode + " -> ");
                tmpNode = tmpNode.next;
            }
            System.out.println();
        }
    }

    /**
     * HashMap 中的 Node 构造
     */
    static class Node<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K, V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K, V> 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;
        }
    }
}

执行后果

--------------------------
原链表：
1=A -> 2=B -> 3=C -> 
--------------------------
新链表：
2=B -> 
1=A -> 3=C -> 
--------------------------

留神到，迁徙之后，节点 C 仍旧排在节点 A 之后，而不是反过来。

执行过程图示

第一、二次循环之后，高下位链表指针如下：

第三次循环，因为 hiTail != null，因而执行 hiTail.next = e，留神此时 B 仍旧指向 C。

接着执行 hiTail = e，把 hiTail 指向 e 所在节点。
最初执行 loTail.next = null 和 hiTail.next = null，把尾指针都指向 null。

4. 总结

在 Java8 中，HashMap 插入元素应用尾插法，扩容时应用了首尾指针保障了链表元素程序不会倒置，从而解决了 Java7 扩容时产生的环问题。扩容过程的代码值得一读。

作者：Sumkor
链接：https://segmentfault.com/a/11…
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