浅析Java集合类源码（二）--- HashSet, HashMap, Hashtable

4.HashSet

HashSet继承了AbstractSet，实现了Set，Cloneable，Serializable等接口。HashSet不是线程安全类。

public class HashSet<E>
extends AbstractSet<E>
implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable

HashSet通过一个HashMap来保存对象，Map的键是每次添加的元素，值是一个 static final Object对象PRESENT。

// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object();

（1）初始化

初始化可设置初始容量initialCapacity和加载因子loadFactor，HashSet调用HashMap的初始化方法，因此默认初始容量initialCapacity和HashMap相同，是16；默认加载因子loadFactor也和HashMap相同，是0.75。

当 【元素数量（size） > 容量（capacity） * 加载因子（loadFactor）】时，HashSet的容量会相应的进行扩展至原来的2倍

public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}

public HashSet(int initialCapacity) {
map = new HashMap<>(initialCapacity);
}

public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

（2）添加

HashSet的添加方法调用HashMap的添加方法

public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}

（3）删除

HashSet的删除方法调用HashMap的删除方法

public boolean remove(Object o) {
return map.remove(o)==PRESENT;
}

5.HashMap

HashMap继承了AbstractMap，实现了Map，Cloneable，Serializable。HashMap不是线程安全类。

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

HashMap对键key取hash值，然后将同一个hash值的元素保存在数组某个位置中。所谓同一个hash值，是指将元素的hash值与（数组容量-1）取（与&）关系后得到的值，目的是去除hash值的高位，保留hash值的低位，将其作为key的hash值。

HashMap中hash值的计算程序：将Key的原始hash值与（数组容量-1）取与（&）关系得到的值。因为数组容量是2的幂次方，减1后低位则全部变为1，对hash值进行与（&）运算后得到hash值的低位，去除了高位。

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);

当HashMap中的元素不太多时，使用Node链表来存储；当HashMap中的元素过多时，使用红黑树TreeNode的存储结构来保存元素。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
}

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;
}

使用Node节点保存HashMap元素的数据结构：

（1）初始化

HashMap初始化可设置初始容量initialCapacity和加载因子loadFactor。默认初始容量是16，会在添加第一个元素的时候初始hash数组的长度。默认加载因子是0.75。

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)

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

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

初始容量需为2的幂次方，当初始容量不为2的幂次方时，HashMap会调用tableSizeFor()方法把容量变为2的幂次方。

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;
}

（2）查找

当调用get()方法对查找某一个Key值的元素时，getNode()方法计算键Key的hash值，先找到对应hash值在数组中的位置，然后对数组中对应位置的元素链表遍历比较，直到节点Node的Key值与查找的Key值相同。

public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
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;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(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) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}

（3）添加

添加元素时，若Key的hash值对应的数组位置还没有元素，则直接添加到该位置

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

若该位置已有元素，则先判断该元素的Key值是否与添加的Key值相同，若相同直接替换该Node节点的value值。

Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;

否则遍历该链表的元素。若没有发现相同的Key值，则将该元素添加到链表的末尾。若发现相同的Key值，则替换该Node节点的value值。

else {
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;

（4）删除

删除某个节点和添加节点相似，当查找到某个节点后，将后继节点赋值到前驱节点的next，相当于把查找的节点移除

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;
}

（5）调整元素

若HashMap中的元素数量达到了threshold门限值（当前数组大小Capacity * 加载因子loadFactor），便通过resize()方法调整数组大小。

基本思想：设置loHead，loTail，hiHead，hiTail四个变量：其中lo变量是用于保存hash值在原数组的节点，hi变量是用于保存hash值在新数组的节点；Head变量用于保存同一个hash值链表的第一个元素，对于一组hash链表元素进行遍历时，只被初始化一次，Tail变量用于保存同一个hash值链表的最后一个元素。

例子：

1.初始HashMap的数组长度是16，先插入Key的hash值为{1}的节点，再插入Key的hash值为{17}的节点，再插入Key的hash值为{31}的节点。由于{1}，{17}，{31}对15取（与&）运算的值均为1，因此均保存在hash数组的table[1]元素中，以链表的方式存储。

2.当数组长度需要扩充至32时：

（1）{1}对16取（与&）运算后仍为0，因此仍然在hash[1]位置，此时loHead和loTail均为{1}；

（2）{17}对16取（与&）运算后不为0，而原来{17}位于hash[1]的位置，因此其位于新table数组的[1+16]=[17]的位置，此时hiHead和hiTail均为{17}；

（3）{31}对16取（与&）运算后仍为0，因此仍在table[1]位置，此时loTail变为{31}，loHead不变，仍为{1}。

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;
}
}
}
}

5.Hashtable

Hashtable继承Dictionary，实现了Map，Cloneable，Serializable接口。Hashtable是线程安全类。

public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

和HashMap一样，Hashtable也是将Key的hash值相同但Key不同的元素放入数组的同一个位置，保存为Entry节点，然后将节点用链表的形式串起来。

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
}

Hashtable的hash值计算程序：将hash值与0x7FFFFFFF取与（&）后，对当前数组容量取模（%）。取模（%）的目的是保证hash值在当前table[]数组的范围内。

int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

Hashtable的数据结构如下图

（1）初始化

Hashtable在初始化时设置初始容量initialCapacity和加载因子loadFactor，默认initialCapacity为11，loadFactor为0.75

public Hashtable() {
this(11, 0.75f);
}

public Hashtable(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, 0.75f);
}

public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor)

（2）查找

通过调用get()方法来查找相应Key的Value时，先通过Key的hash值计算获取在数组中的索引index值，再遍历该index值的链表，找到相同Key值的元素Entry，返回其值。

public synchronized V get(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return (V)e.value;
}
}
return null;
}

（3）添加

添加的过程和查找很相似，都是先通过Key的hash值计算获取在数组中的索引index值，再遍历该index值的链表。当发现相同Key值的元素Entry，则更改此Entry的为新值，返回旧值。否则，添加一个新的Entry作为链表的头节点。

public synchronized V put(K key, V value) {
// Makes sure the key is not already in the hashtable.
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
for(; entry != null ; entry = entry.next) {
if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
V old = entry.value;
entry.value = value;
return old;
}
}
addEntry(hash, key, value, index);
return null;
}

private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
modCount++;
Entry<?,?> tab[] = table;
// Creates the new entry.
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
count++;
}

（4）删除

删除时先计算出数组的索引值，然后遍历该位置的链表。找到符合的Key值，然后进行链表的删除操作。

public synchronized V remove(Object key) {
Entry<?,?> tab[] = table;
int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
@SuppressWarnings("unchecked")
Entry<K,V> e = (Entry<K,V>)tab[index];
for(Entry<K,V> prev = null ; e != null ; prev = e, e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
modCount++;
if (prev != null) {
prev.next = e.next;
} else {
tab[index] = e.next;
}
count--;
V oldValue = e.value;
e.value = null;
return oldValue;
}
}
return null;
}

（5）调整元素

当数组需要扩展时，Hashtable调用rehash()方法调整元素的位置。

当数组需要扩展时，需要先对旧数组的每个索引位置的链表进行扫描，计算链表中每个元素的新的索引值，将其插入到该索引值的链表的头部。

for (int i = oldCapacity ; i-- > 0 ;) {
for (Entry<K,V> old = (Entry<K,V>)oldMap[i] ; old != null ; ) {
Entry<K,V> e = old;
old = old.next;

int index = (e.hash & 0x7FFFFFFF) % newCapacity;
e.next = (Entry<K,V>)newMap[index];
newMap[index] = e;
}
}