HashMap为何从头插入改为尾插入

微信公众号：如有问题或建议，请在下方留言;

最近更新：2018-09-21

前言

前面对于HashMap在jdk1.8中元素插入的实现原理，进行了详细分析，具体请看：HashMap之元素插入。文章发布之后，有一位朋友问了这么一个问题："jdk1.7中采用头插入，为什么jdk1.8中改成了尾插入？"。有人说这就是 java 大神随性而为，没什么特殊的用处。当时因为没仔细看过1.7的源码，所以不好解答。现在特此写了本文，来对该问题进行详细的分析。

静态常量

源码：

 1/**
 2 * 默认初始大小，值为16，要求必须为2的幂
 3 */
 4static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
 5
 6/**
 7 * 最大容量，必须不大于2^30
 8 */
 9static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
10
11/**
12 * 默认加载因子，值为0.75
13 */
14static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
15
16/**
17 * HashMap的空数组
18 */
19static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};
20
21/**
22 * 可选的默认哈希阈值
23 */
24static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;
复制代码

注意： jdk1.7中HashMap默认采用数组+单链表方式存储元素，当元素出现哈希冲突时，会存储到该位置的单链表中。这和1.8不同，除了数组和单链表外，当单链表中元素个数超过8个时，会进而转化为红黑树存储，巧妙地将遍历元素时时间复杂度从O(n)降低到了O(logn)）。

构造函数

1、无参构造函数：

1public HashMap() {
2    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
3}
复制代码

2、带参构造函数，指定初始容量：

1public HashMap(int initialCapacity) {
2    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
3}
复制代码

3、带参构造函数，指定初始容量和加载因子：

 1public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
 2    if (initialCapacity < 0)
 3        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
 4                                           initialCapacity);
 5    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
 6        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
 7    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
 8        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
 9                                           loadFactor);
10
11    this.loadFactor = loadFactor;
12    threshold = initialCapacity;//和jdk8不同，初始阈值就是初始容量，并没做2次幂处理
13    init();
14}
复制代码

4、带参构造函数，指定Map集合：

 1public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
 2        int numKeysToBeAdded = m.size();
 3        if (numKeysToBeAdded == 0)
 4            return;
 5
 6        if (table == EMPTY_TABLE) {
 7            inflateTable((int) Math.max(numKeysToBeAdded * loadFactor, threshold));
 8        }
 9
10        if (numKeysToBeAdded > threshold) {
11            int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
12            if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
13                targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
14            int newCapacity = table.length;
15            while (newCapacity < targetCapacity)
16                newCapacity <<= 1;
17            if (newCapacity > table.length)
18                resize(newCapacity);
19        }
20
21        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
22            put(e.getKey(), e.getValue());
23    }
复制代码

说明： 执行构造函数时，存储元素的数组并不会进行初始化，而是在第一次放入元素的时候，才会进行初始化操作。创建HashMap对象时，仅仅计算初始容量和新增阈值。

添加元素

1、源码：

 1public V put(K key, V value) {
 2    if (table == EMPTY_TABLE) {
 3        inflateTable(threshold);//初始化数组
 4    }
 5    if (key == null)//key为null，做key为null的添加
 6        return putForNullKey(value);
 7    int hash = hash(key);//计算键值的哈希
 8    int i = indexFor(hash, table.length);//根据哈希值获取在数组中的索引位置
 9    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {//遍历索引位置的单链表，判断是否存在指定key
10        Object k;
11        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {//key已存在则更新value值
12            V oldValue = e.value;
13            e.value = value;
14            e.recordAccess(this);
15            return oldValue;
16        }
17    }
18
19    modCount++;
20    addEntry(hash, key, value, i);//key不存在，则插入元素
21    return null;
22}
23
24private V putForNullKey(V value) {
25    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
26        if (e.key == null) {//key为null已存在，更新value值
27            V oldValue = e.value;
28            e.value = value;
29            e.recordAccess(this);
30            return oldValue;
31        }
32    }
33    modCount++;
34    addEntry(0, null, value, 0);//不存在则新增，key为null的哈希值为0
35    return null;
36}
37
38void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
39    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {//插入位置存在元素，并且元素个数大于等于新增阈值
40        resize(2 * table.length);//进行2倍扩容
41        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;//扩容中可能会调整哈希种子的值，所以重新计算哈希值
42        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);//重新计算在扩容后数组中的位置
43    }
44
45    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);//添加元素
46}
47
48//计算对象哈希值
49final int hash(Object k) {
50    int h = hashSeed;
51    if (0 != h && k instanceof String) {//String采用单独的算法
52        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
53    }
54
55    h ^= k.hashCode();//利用哈希种子异或哈希值，为了进行优化，增加随机性
56
57    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
58    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);//这里的移位异或操作属于扰乱函数，都是为了增加哈希值的随机性，降低哈希冲突的概率
59}
60
61void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
62    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
63    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);//新增元素插入到数组索引位置，原来元素作为其后继节点，即采用头插入方法
64    size++;
65}
复制代码

2、流程图：

3、示例：

初始化数组

1、源码：

 1//根据指定的大小，初始化数组
 2private void inflateTable(int toSize) {
 3    // Find a power of 2 >= toSize
 4    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
 5
 6    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);//根据容量和加载因子计算阈值，最大为2^30+1
 7    table = new Entry[capacity];//创建指定容量大小的数组
 8    initHashSeedAsNeeded(capacity);
 9}
10
11//获取大于指定值的最小2次幂，最大为2^30
12private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
13    // assert number >= 0 : "number must be non-negative";
14    return number >= MAXIMUM_CAPACITY
15            ? MAXIMUM_CAPACITY
16            : (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
17}
复制代码

2、说明：

关于哈希种子，是为了优化哈希函数，让其值更加随机，从而降低哈希冲突的概率。通过HashMap中私有静态类Holder，在JVM启动的时候，指定-Djdk.map.althashing.threshold=值，来设置可选的哈希阈值，从而在initHashSeedAsNeeded中决定是否需要调整哈希种子。

 1private static class Holder {
 2
 3    /**
 4     * Table capacity above which to switch to use alternative hashing.
 5     */
 6    static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD;
 7
 8    static {
 9        String altThreshold = java.security.AccessController.doPrivileged(
10            new sun.security.action.GetPropertyAction(
11                "jdk.map.althashing.threshold"));//通过-Djdk.map.althashing.threshold=值指定可选哈希阈值
12
13        int threshold;
14        try {
15            threshold = (null != altThreshold)
16                    ? Integer.parseInt(altThreshold)
17                    : ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT;//默认为Integer.MAX_VALUE
18
19            // disable alternative hashing if -1
20            if (threshold == -1) {
21                threshold = Integer.MAX_VALUE;
22            }
23
24            if (threshold < 0) {
25                throw new IllegalArgumentException("value must be positive integer.");
26            }
27        } catch(IllegalArgumentException failed) {
28            throw new Error("Illegal value for 'jdk.map.althashing.threshold'", failed);
29        }
30
31        ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD = threshold;//指定可选的哈希阈值，在initHashSeedAsNeeded作为是否初始化哈希种子的判定条件
32    }
33}
34
35//根据容量决定是否需要初始化哈希种子
36final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
37    boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;//哈希种子默认为0
38    boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
39            (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);//如果容量大于可选的哈希阈值，则需要初始化哈希种子
40    boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
41    if (switching) {
42        hashSeed = useAltHashing
43            ? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)//生成一个随机的哈希种子
44            : 0;
45    }
46    return switching;
47}
复制代码

扩容

1、源码：

 1//按照指定容量进行数组扩容
 2void resize(int newCapacity) {
 3    Entry[] oldTable = table;
 4    int oldCapacity = oldTable.length;
 5    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {//原有容量达到最大值，则不再扩容
 6        threshold = Integer.MAX_VALUE;
 7        return;
 8    }
 9
10    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
11    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
12    table = newTable;
13    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);//按照扩容后容量重新计算阈值
14}
15
16//将元素重新分配到新数组中
17void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
18    int newCapacity = newTable.length;
19    for (Entry<K,V> e : table) {//遍历原数组
20        while(null != e) {
21            Entry<K,V> next = e.next;
22            if (rehash) {//扩容后数组需要重新计算哈希
23                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
24            }
25            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);//计算新数组中的位置
26            e.next = newTable[i];//采用头插入法，添加到新数组中
27            newTable[i] = e;
28            e = next;
29        }
30    }
31}
复制代码

2、问题：

上述扩容代码，在并发情况下执行，就会出现常说的链表成环的问题，下面通过示例来分析：

2.1、初始状态：

线程1插入18，线程2插入26。此时线程1发现size为6，进行扩容。线程2发现size为6，也进行扩容。

2.2、 线程1执行：

线程1首先获取到CPU执行权，执行transfer()中代码：

 1for (Entry<K,V> e : table) {
 2    while(null != e) {
 3        Entry<K,V> next = e.next;//线程1执行到此行代码，e为10，next为2。此时CPU调度线程2执行。
 4        if (rehash) {
 5            e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
 6        }
 7        int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
 8        e.next = newTable[i];
 9        newTable[i] = e;
10        e = next;
11    }
12}
复制代码

2.3、 线程2执行：

线程2此时获取到CPU执行权，执行transfer()中代码：

 1for (Entry<K,V> e : table) {
 2    while(null != e) {
 3        Entry<K,V> next = e.next;
 4        if (rehash) {
 5            e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
 6        }
 7        int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
 8        e.next = newTable[i];
 9        newTable[i] = e;
10        e = next;
11    }
12}
复制代码

第一次遍历：e为10，next为2，rehash为false，i为2，newTable[2]为null，10.next为null，newTable[2]为10，e为2。

第二次遍历：e为2，next为null，rehash为false，i为2，newTable[2]为10，2.next为10，newTable[2]为2，e为null。

第三次遍历：e为null，退出循环。

2.4、 线程1执行：

 1for (Entry<K,V> e : table) {
 2    while(null != e) {
 3        Entry<K,V> next = e.next;//线程1执行到此行代码，e为10，next为2。CPU调度线程1继续执行。
 4        if (rehash) {
 5            e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
 6        }
 7        int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
 8        e.next = newTable[i];
 9        newTable[i] = e;
10        e = next;
11    }
12}
复制代码

e为10，next为2，rehash为false，i为2，newTable[2]为2，10.next为2，newTable[2]为10，e为2。

第二次遍历：e为2，next为null，rehash为false，i为2，newTable[2]为10，2.next为10，newTable[2]为2，e为10。此时，链表已经成环，进入死循环！！！

3、说明：

由上例可知，HashMap在jdk1.7中采用头插入法，在扩容时会改变链表中元素原本的顺序，以至于在并发场景下导致链表成环的问题。而在jdk1.8中采用尾插入法，在扩容时会保持链表元素原本的顺序，就不会出现链表成环的问题了。

总结

通过上述的分析，在这里总结下HashMap在1.7和1.8之间的变化：

• 1.7采用数组+单链表，1.8在单链表超过一定长度后改成红黑树存储
• 1.7扩容时需要重新计算哈希值和索引位置，1.8并不重新计算哈希值，巧妙地采用和扩容后容量进行&操作来计算新的索引位置。
• 1.7插入元素到单链表中采用头插入法，1.8采用的是尾插入法。

通过对HashMap在jdk1.7和1.8中源码的学习，深深地体会到一个道理：一切设计都有着它背后的原因。作为学习者，我们需要不断的问自己，为什么这么设计，这么设计有什么好处。本着这样的学习态度，我想不久的将来，你就会变成他。

文章的最后，感谢大家的支持，欢迎扫描下方二维码，进行关注。如有任何疑问，欢迎大家留言。