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HashMap的扩容机制---resize() JDK1.8的新特点

热度:8   发布时间:2024-01-04 15:18:27.0

虽然在hashmap的原理里面有这段,但是这个单独拿出来讲rehash或者resize()也是极好的。

什么时候扩容:当向容器添加元素的时候,会判断当前容器的元素个数,如果大于等于阈值---即当前数组的长度乘以加载因子的值的时候,就要自动扩容啦。

扩容(resize)就是重新计算容量,向HashMap对象里不停的添加元素,而HashMap对象内部的数组无法装载更多的元素时,对象就需要扩大数组的长度,以便能装入更多的元素。当然Java里的数组是无法自动扩容的,方法是使用一个新的数组代替已有的容量小的数组,就像我们用一个小桶装水,如果想装更多的水,就得换大水桶。

我们分析下resize的源码,鉴于JDK1.8融入了红黑树,较复杂,为了便于理解我们仍然使用JDK1.7的代码,好理解一些,本质上区别不大,具体区别后文再说。

  1. void resize(int newCapacity) {   //传入新的容量  
  2.     Entry[] oldTable = table;    //引用扩容前的Entry数组  
  3.     int oldCapacity = oldTable.length;  
  4.     if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  //扩容前的数组大小如果已经达到最大(2^30)了  
  5.         threshold = Integer.MAX_VALUE; //修改阈值为int的最大值(2^31-1),这样以后就不会扩容了  
  6.         return;  
  7.     }  
  8.   
  9.     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  //初始化一个新的Entry数组  
  10.     transfer(newTable);                         //!!将数据转移到新的Entry数组里  
  11.     table = newTable;                           //HashMap的table属性引用新的Entry数组  
  12.     threshold = (int) (newCapacity * loadFactor);//修改阈值  
  13. }  
这里就是使用一个容量更大的数组来代替已有的容量小的数组,transfer()方法将原有Entry数组的元素拷贝到新的Entry数组里。
  1. void transfer(Entry[] newTable) {  
  2.     Entry[] src = table;                   //src引用了旧的Entry数组  
  3.     int newCapacity = newTable.length;  
  4.     for (int j = 0; j < src.length; j++) { //遍历旧的Entry数组  
  5.         Entry<K, V> e = src[j];             //取得旧Entry数组的每个元素  
  6.         if (e != null) {  
  7.             src[j] = null;//释放旧Entry数组的对象引用(for循环后,旧的Entry数组不再引用任何对象)  
  8.             do {  
  9.                 Entry<K, V> next = e.next;  
  10.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //!!重新计算每个元素在数组中的位置  
  11.                 e.next = newTable[i]; //标记[1]  
  12.                 newTable[i] = e;      //将元素放在数组上  
  13.                 e = next;             //访问下一个Entry链上的元素  
  14.             } while (e != null);  
  15.         }  
  16.     }  
  17. }  
  1. static int indexFor(int h, int length) {  
  2.     return h & (length - 1);  
  3. }  
文章中间部分:四、存储实现;详细解释了为什么indexFor方法中要h & (length-1)

newTable[i]的引用赋给了e.next,也就是使用了单链表的头插入方式,同一位置上新元素总会被放在链表的头部位置;这样先放在一个索引上的元素终会被放到Entry链的尾部(如果发生了hash冲突的话),这一点和Jdk1.8有区别,下文详解。在旧数组中同一条Entry链上的元素,通过重新计算索引位置后,有可能被放到了新数组的不同位置上。

下面举个例子说明下扩容过程。

这句话是重点----hash(){return key % table.length;}方法,就是翻译下面的一行解释:

假设了我们的hash算法就是简单的用key mod 一下表的大小(也就是数组的长度)。

其中的哈希桶数组table的size=2, 所以key = 3、7、5,put顺序依次为 5、7、3。在mod 2以后都冲突在table[1]这里了。这里假设负载因子 loadFactor=1,即当键值对的实际大小size 大于 table的实际大小时进行扩容。接下来的三个步骤是哈希桶数组 resize成4,然后所有的Node重新rehash的过程。

下面我们讲解下JDK1.8做了哪些优化。经过观测可以发现,我们使用的是2次幂的扩展(指长度扩为原来2倍),所以,

经过rehash之后,元素的位置要么是在原位置,要么是在原位置再移动2次幂的位置。对应的就是下方的resize的注释。

[java]  view plain  copy
  1. /** 
  2.  * Initializes or doubles table size.  If null, allocates in 
  3.  * accord with initial capacity target held in field threshold. 
  4.  * Otherwise, because we are using power-of-two expansion, the 
  5.  * elements from each bin must either stay at same index, or move 
  6.  * with a power of two offset in the new table. 
  7.  * 
  8.  * @return the table 
  9.  */  
  10. final Node<K,V>[] resize() {  

看下图可以明白这句话的意思,n为table的长度,图(a)表示扩容前的key1和key2两种key确定索引位置的示例,图(b)表示扩容后key1和key2两种key确定索引位置的示例,其中hash1是key1对应的哈希与高位运算结果。

元素在重新计算hash之后,因为n变为2倍,那么n-1的mask范围在高位多1bit(红色),因此新的index就会发生这样的变化:

因此,我们在扩充HashMap的时候,不需要像JDK1.7的实现那样重新计算hash,只需要看看原来的hash值新增的那个bit是1还是0就好了,是0的话索引没变,是1的话索引变成“原索引+oldCap”,可以看看下图为16扩充为32的resize示意图:

这个设计确实非常的巧妙,既省去了重新计算hash值的时间,而且同时,由于新增的1bit是0还是1可以认为是随机的,因此resize的过程,均匀的把之前的冲突的节点分散到新的bucket了。这一块就是JDK1.8新增的优化点。有一点注意区别,JDK1.7中rehash的时候,旧链表迁移新链表的时候,如果在新表的数组索引位置相同,则链表元素会倒置,但是从上图可以看出,JDK1.8不会倒置。有兴趣的同学可以研究下JDK1.8的resize源码,写的很赞,如下:

 1 final Node<K,V>[] resize() {2     Node<K,V>[] oldTab = table;3     int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;4     int oldThr = threshold;5     int newCap, newThr = 0;6     if (oldCap > 0) {7         // 超过最大值就不再扩充了,就只好随你碰撞去吧8         if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {9             threshold = Integer.MAX_VALUE;
10             return oldTab;
11         }
12         // 没超过最大值,就扩充为原来的2倍
13         else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
14                  oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
15             newThr = oldThr << 1; // double threshold
16     }
17     else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
18         newCap = oldThr;
19     else {               // zero initial threshold signifies using defaults
20         newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
21         newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
22     }
23     // 计算新的resize上限
24     if (newThr == 0) {
25 
26         float ft = (float)newCap * loadFactor;
27         newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
28                   (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
29     }
30     threshold = newThr;
31     @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
32         Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
33     table = newTab;
34     if (oldTab != null) {
35         // 把每个bucket都移动到新的buckets中
36         for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
37             Node<K,V> e;
38             if ((e = oldTab[j]) != null) {
39                 oldTab[j] = null;
40                 if (e.next == null)
41                     newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
42                 else if (e instanceof TreeNode)
43                     ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
44                 else { // 链表优化重hash的代码块
45                     Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
46                     Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
47                     Node<K,V> next;
48                     do {
49                         next = e.next;
50                         // 原索引
51                         if ((e.hash & oldCap) == 0) {
52                             if (loTail == null)
53                                 loHead = e;
54                             else
55                                 loTail.next = e;
56                             loTail = e;
57                         }
58                         // 原索引+oldCap
59                         else {
60                             if (hiTail == null)
61                                 hiHead = e;
62                             else
63                                 hiTail.next = e;
64                             hiTail = e;
65                         }
66                     } while ((e = next) != null);
67                     // 原索引放到bucket里
68                     if (loTail != null) {
69                         loTail.next = null;
70                         newTab[j] = loHead;
71                     }
72                     // 原索引+oldCap放到bucket里
73                     if (hiTail != null) {
74                         hiTail.next = null;
75                         newTab[j + oldCap] = hiHead;
76                     }
77                 }
78             }
79         }
80     }
81     return newTab;
82 }
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