HashMap的扩容机制---resize()

 

 

面试的时候闻到了Hashmap的扩容机制，之前只看到了Hasmap的实现机制，补一下基础知识，讲的非常好

 

原文链接：

 

http://www.iteye.com/topic/539465

 

Hashmap是一种非常常用的、应用广泛的数据类型，最近研究到相关的内容，就正好复习一下。网上关于hashmap的文章很多，但到底是自己学习的总结，就发出来跟大家一起分享，一起讨论。 

1、hashmap的数据结构 
要知道hashmap是什么，首先要搞清楚它的数据结构，在java编程语言中，最基本的结构就是两种，一个是数组，另外一个是模拟指针（引用），所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的，hashmap也不例外。Hashmap实际上是一个数组和链表的结合体（在数据结构中，一般称之为“链表散列“），请看下图（横排表示数组，纵排表示数组元素【实际上是一个链表】）。 

 

从图中我们可以看到一个hashmap就是一个数组结构，当新建一个hashmap的时候，就会初始化一个数组。我们来看看java代码：

 

 

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