Java HashMap的扩容

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最近博主参加面试，发现自己对于Java的HashMap的扩容过程理解不足，故最近在此进行总结。

首先说明博主德Java为1.8版本

HashMap中的变量

首先要了解HashMap的扩容过程，我们就得了解一些HashMap中的变量：

  • Node<K,V>：链表节点，包含了key、value、hash、next指针四个元素
  • table：Node<K,V>类型的数组，里面的元素是链表，用于存放HashMap元素的实体
  • size：记录了放入HashMap的元素个数
  • loadFactor：负载因子
  • threshold：阈值，决定了HashMap何时扩容，以及扩容后的大小，一般等于table大小乘以loadFactor

HashMap的构造函数

HashMap的构造函数主要有四个，代码如下：

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public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    ...
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);
}

其中主要有两种形式：

  • 直接拷贝别的HashMap的形式，在此不作讨论
  • 定义初始容量大小（table数组的大小，缺省值为16），定义负载因子（缺省值为0.75）的形式

值得注意的是，当我们自定义HashMap初始容量大小时，构造函数并非直接把我们定义的数值当做HashMap容量大小，而是把该数值当做参数调用方法tableSizeFor，然后把返回值作为HashMap的初始容量大小：

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/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 */
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;
}

该方法会返回一个大于等于当前参数的2的倍数，因此HashMap中的table数组的容量大小总是2的倍数。

何时进行扩容？

HashMap使用的是懒加载，构造完HashMap对象后，只要不进行put 方法插入元素之前，HashMap并不会去初始化或者扩容table：

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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;
    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 {
        ...
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

在putVal方法第8、9行我们可以看到，当首次调用put方法时，HashMap会发现table为空然后调用resize方法进行初始化
在putVal方法第16、17行我们可以看到，当添加完元素后，如果HashMap发现size（元素总数）大于threshold（阈值），则会调用resize方法进行扩容

在这里值得注意的是，在putVal方法第10行我们可以看到，插入元素的hash值是一个32位的int值，而实际当前元素插入table的索引的值为 ：

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（table.size - 1）& hash

又由于table的大小一直是2的倍数，2的N次方，因此当前元素插入table的索引的值为其hash值的后N位组成的值

resize扩容

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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) {
        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
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    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"})
        Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        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)
                    ((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;
                    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;
}

从第15 ～ 20行可以看到，若threshold（阈值）不为空，table的首次初始化大小为阈值，否则初始化为缺省值大小16

当table需要扩容时，从第11 ~ 13行可以看到，扩容后的table大小变为原来的两倍，接下来就是进行扩容后table的调整：
假设扩容前的table大小为2的N次方，有上述put方法解析可知，元素的table索引为其hash值的后N位确定
那么扩容后的table大小即为2的N+1次方，则其中元素的table索引为其hash值的后N+1位确定，比原来多了一位
因此，table中的元素只有两种情况：

  1. 元素hash值第N+1位为0：不需要进行位置调整
  2. 元素hash值第N+1位为1：调整至原索引的两倍位置

在resize方法中，第45行的判断即用于确定元素hashi值第N+1位是否为0：

  • 若为0，则使用loHead与loTail，将元素移至新table的原索引处
  • 若不为0，则使用hiHead与hiHead，将元素移至新table的两倍索引处

扩容或初始化完成后，resize方法返回新的table