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Java魔法解密:HashMap底层机制大揭秘

guduadmin01小时前

Java魔法解密:HashMap底层机制大揭秘,在这里插入图片描述,第1张

文章目录

    • 一、 源码深度解析
      • 1.1 窥探Java集合框架中的设计思想
      • 1.2 逐行解读HashMap的源代码
        • 1.2.1 类信息
        • 1.2.2 常量属性
        • 1.2.3 变量属性
        • 1.2.4 节点信息
        • 1.2.5 构造方法
        • 1.2.6 put方法
          • 1.2.6.1 putVal方法
          • 1.2.6.2 putTreeVal方法
          • 1.2.6.3 tieBreakOrder方法
          • 1.2.6.4 treeifyBin方法
          • 1.2.6.5 treeify方法
          • 1.2.7 get方法
          • 1.2.8 remove方法
          • 1.2.9 resize方法
          • 二、 应用与最佳实践
            • 2.1 在实际项目中如何合理使用HashMap
            • 2.2 最佳实践和注意事项
            • 三、 结论
              • 3.1 对HashMap的全面总结
              • 3.2 鼓励读者深入学习和实践

                一、 源码深度解析

                1.1 窥探Java集合框架中的设计思想

                Java集合框架是Java编程中非常重要的一部分,提供了各种数据结构和算法,使得开发者能够高效地组织和操作数据。

                Java集合框架的设计思想主要包括以下几个方面:

                1. 通用性(Generality):
                  • Java集合框架被设计成通用的、可重用的组件。这样一来,同一套集合框架可以用于存储和处理各种类型的对象。
                  • 可扩展性(Scalability):
                    • 集合框架提供了一系列接口和类,允许开发者实现自定义的集合类型。这种可扩展性使得开发者能够根据具体的需求创建新的集合类。
                    • 高性能(Performance):
                      • 集合框架在设计时考虑了性能的因素,通过选择合适的数据结构和算法来提高操作的效率。例如,ArrayList和LinkedList都是List接口的实现,但它们在插入和删除操作上有不同的性能表现。
                      • 互操作性(Interoperability):
                        • 集合框架中的各个接口和类都被设计成可以互相操作的。这种互操作性使得不同的集合类之间能够轻松地进行转换和使用。
                        • 可读性和简洁性(Readability and Simplicity):
                          • 集合框架的设计追求代码的可读性和简洁性。通过提供一组清晰的接口和方法,开发者可以更容易地理解和使用集合框架。
                          • 线程安全性(Thread Safety):
                            • 部分集合类(如Hashtable、Vector)被设计成线程安全的,适用于多线程环境。此外,Java提供了一些在多线程环境中使用时更安全的并发集合类,如ConcurrentHashMap。
                            • Fail-Fast机制(快速失败机制):
                              • 集合框架在迭代过程中使用了快速失败机制,当多个线程对同一集合进行修改时,可能会抛出ConcurrentModificationException,以提醒开发者在迭代过程中不要修改集合。

                总体来说,Java集合框架的设计思想注重通用性、性能、可扩展性和简洁性,为开发者提供了丰富而强大的工具,用于处理各种不同类型的数据。

                1.2 逐行解读HashMap的源代码

                1.2.1 类信息

                Java魔法解密:HashMap底层机制大揭秘,在这里插入图片描述,第2张

                1.2.2 常量属性

                Java魔法解密:HashMap底层机制大揭秘,在这里插入图片描述,第3张

                1.2.3 变量属性

                Java魔法解密:HashMap底层机制大揭秘,在这里插入图片描述,第4张

                1.2.4 节点信息

                Java魔法解密:HashMap底层机制大揭秘,在这里插入图片描述,第5张

                1.2.5 构造方法

                1、构造一个具有默认初始容量(16)和默认加载因子(0.75)的空HashMap。

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                2、构造一个带指定初始容量和默认加载因子(0.75)的空HashMap。

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                3、构造一个带指定初始容量和加载因子的空HashMap。

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                4、构造一个映射关系与指定Map相同的新HashMap。

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                5、扩展LRU实现方式与思路。

                在实现一个基于LRU策略的缓存时,通常会使用一个数据结构来存储缓存中的数据,并且需要记录数据的访问顺序。常见的数据结构是双向链表和哈希表的结合。

                基于双向链表和哈希表的实现方式:

                1. 使用双向链表:双向链表可以记录数据的访问顺序,当某个数据被访问时,可以将其移动到链表的头部或尾部。头部表示最近访问的数据,尾部表示最久未被访问的数据。
                2. 使用哈希表:哈希表用于快速查找缓存中的数据,可以将数据的键(key)映射到对应的链表节点,以实现快速的查找和插入操作。

                实现LRU缓存的基本思路如下:

                • 当需要访问缓存中的数据时,首先在哈希表中查找该数据是否存在。
                • 如果存在,则将该数据移动到链表的头部,表示最近被访问过。
                • 如果不存在,需要从后端的存储中加载数据,并插入到链表的头部,同时更新哈希表。
                • 当缓存已满时,需要淘汰链表尾部的数据,同时更新哈希表。

                  通过这种方式,实现了一个基于LRU淘汰策略的缓存系统,可以确保最近最少被使用的数据会被及时地淘汰,从而保持缓存中的数据是最有用的。

                  1.2.6 put方法

                  由于put方法代码量偏多,故使用代码+注释形式解读源码。

                  1.2.6.1 putVal方法
                  /**
                   * HashMap的put操作源码+注释
                   */
                  public V put(K key, V value) {
                      // 先根据hash()方法,计算存放元素在table数组中的下标
                      return putVal(hash(key), key, value, false, true);
                  }
                  // hash方法
                  static final int hash(Object key) {
                      int h;
                      // 如果key为null,返回hash=0
                      // 如果key不为null,那么进行key的hashCode值的高低位异或运算,返回结果作为hash值
                      return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
                  }
                  // putVal方法
                  final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                                 boolean evict) {
                      Node[] tab; Node p; int n, i;
                      // 如果第一次插入,table为空或者length等于0
                      if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                          // 调用resize方法进行初始化
                          n = (tab = resize()).length;
                      // 通过hash值计算索引位置,将该索引位置的头节点赋值给p且p为空
                      // 实则进行取余操作 == p=tab[hash%length]
                      if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                          // 在该索引位置新增一个节点
                          tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
                      else {
                          // table表该索引位置不为空,则会发生hash冲突
                          Node e; K k;
                          // 当p节点的hash值和key跟传入的相等
                          if (p.hash == hash &&
                              ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                              // p节点即为要查找的目标节点,将p节点赋值给e节点
                              e = p;
                          // 当p节点为TreeNode
                          else if (p instanceof TreeNode)
                              // 调用红黑树的putTreeVal方法查找目标节点
                              e = ((TreeNode)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                          else {
                              // 判断完,则p节点为普通链表节点
                              //遍历节点操作,使用binCount统计链表的节点数
                              for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                                  // p的next节点为空时,代表找不到目标节点
                                  if ((e = p.next) == null) {
                                      // 新增一个节点并插入链表尾部
                                      p.next = newNode(hash, key, value, null);
                                      // 当binCount节点数超过8个
                                      // TREEIFY_THRESHOLD - 1:由于循环是从p节点的下一个节点开始的
                                      if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
                                          // 调用treeifyBin方法将链表节点转为红黑树节点
                                          treeifyBin(tab, hash);
                                      break;
                                  }
                                  // e节点的hash值和key值与传入的相同
                                  if (e.hash == hash &&
                                      ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                                      // e节点即为目标节点,跳出循环
                                      break;
                                  // 将p指向下一个节点,继续往后遍历
                                  p = e;  
                              }
                          }
                          // e节点不为空,代表目标节点存在
                          if (e != null) {
                              // 使用传入的value覆盖该节点的value,即保留原来元素的value
                              V oldValue = e.value;
                              // 当oldValue为空
                              if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                                  // 替换value
                                  e.value = value;
                              // 用于LinkedHashMap
                              afterNodeAccess(e);
                              // 返回一个原有的value
                              return oldValue;
                          }
                      }
                      // 添加操作执行后,对modCount、size做加一操作
                      ++modCount;
                      // 插入节点后节点数超过阈值
                      if (++size > threshold)
                          // 调用resize方法进行扩容
                          resize();
                      // 用于LinkedHashMap
                      afterNodeInsertion(evict); 
                      return null;
                  }
                  
                  1.2.6.2 putTreeVal方法
                  /**
                   * 当阈值达到触发红黑树的put的源码+注释
                   */
                  final TreeNode putTreeVal(HashMap map, Node[] tab,
                                                 int h, K k, V v) {
                      Class kc = null;
                      boolean searched = false;
                      // TreeNode继承于LinkedHashMap.Entry
                      // parent节点不等于空,则查找根节点
                      // 即得出索引位置的头节点并不一定为红黑树的根节点
                      TreeNode root = (parent != null) ? root() : this;
                      // 将根节点赋值给p节点,开始进行查找
                      for (TreeNode p = root;;) {
                          int dir, ph; K pk;
                          // 当传入的hash值小于p节点的hash值
                          if ((ph = p.hash) > h)
                              // 将dir赋值为-1,代表向p的左边查找树
                              dir = -1;
                          // 否则传入的hash值大于p节点的hash值
                          else if (ph < h)
                              // 将dir赋值为1,代表向p的右边查找树
                              dir = 1;
                          // 当传入的key值等于p节点的key值
                          else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
                              // 即p节点为目标节点, 返回p节点
                              return p;
                          // 当k所属的类没有实现Comparable接口 或 k和p节点的key相等
                          else if ((kc == null &&
                                    (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                                   (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
                              // 由于局部变量初始为false,即当第一次判断是符合条件的
                              if (!searched) {
                                  TreeNode q, ch;
                                  // 查找过后标记为true
                                  searched = true;
                                  // 从p节点的左节点和右节点分别调用find方法进行查找
                                  if (((ch = p.left) != null &&
                                       (q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
                                      ((ch = p.right) != null &&
                                       (q = ch.find(h, k, kc)) != null))
                                      // 查找到目标节点则返回
                                      return q;
                              }
                              // 否则使用定义的一套规则来比较k和p节点的key的大小, 用来决定向左还是向右查找
                              // dir<0则代表k xp = p;   
                          // dir<=0则向p左边查找,否则向p右边查找,如果为null
                          if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                              // xp的next节点
                              Node xpn = xp.next;    
                              // 创建新的节点, 其中x的next节点为xpn, 即将x节点插入xp与xpn之间
                              TreeNode x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);
                              // 调整x、xp、xpn之间的属性关系
                              // 如果dir <= 0
                              if (dir <= 0) 
                                  //  代表x节点为xp的左节点
                                  xp.left = x;
                              else        
                                  // 如果dir> 0, 则代表x节点为xp的右节点
                                  xp.right = x;
                              // 将xp的next节点设置为x
                              xp.next = x;    
                              // 将x的parent和prev节点设置为xp
                              x.parent = x.prev = xp; 
                              // 当xpn不为空
                              if (xpn != null)
                                  // 将xpn的prev节点设置为x节点,与上文的x节点的next节点对应
                                  ((TreeNode)xpn).prev = x;
                              // 进行红黑树的插入平衡调整
                              moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));
                              return null;
                          }
                      }
                  }
                  
                  1.2.6.3 tieBreakOrder方法
                  /**
                   * 使用定义的一套规则来比较k和p节点的key的大小
                   */
                  static int tieBreakOrder(Object a, Object b) {  
                      int d;
                      if (a == null || b == null ||
                          (d = a.getClass().getName().
                           compareTo(b.getClass().getName())) == 0)
                          // a < b为-1,a > b为1
                          d = (System.identityHashCode(a) <= System.identityHashCode(b) ?
                               -1 : 1);
                      return d;
                  }
                  
                  1.2.6.4 treeifyBin方法
                  /**
                   * 将链表转为红黑树
                   */
                  final void treeifyBin(Node[] tab, int hash) {
                      int n, index; Node e;
                      // 当tab为空或者tab的长度小于64
                      if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
                          // 进行扩容
                          resize();
                      // 根据hash值计算索引值,将该索引位置的节点赋值给e且e不为null
                      else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
                          TreeNode hd = null, tl = null;
                          // 从e开始遍历该索引位置的链表
                          do {
                              // 将链表节点转红黑树节点
                              TreeNode p = replacementTreeNode(e, null);
                              // tl为空代表为第一次循环
                              if (tl == null)	
                                  // 将头节点赋值给hd
                                  hd = p;
                              else {
                                  // 如果不是第一次遍历
                                  // 当前节点的prev属性设为上一个节点
                                  p.prev = tl;  
                                  // 上一个节点的next属性设置为当前节点
                                  tl.next = p;    
                              }
                              // 将p节点赋值给tl,用于在下一次循环中作为上一个节点进行一些链表的关联操作(p.prev = tl 和 tl.next = p)
                              tl = p;
                          } while ((e = e.next) != null);
                          // 将tab该索引位置赋值为新的TreeNode的头节点,如果该节点不为空
                          if ((tab[index] = hd) != null)
                              // 以头节点(hd)为根节点, 构建红黑树
                              hd.treeify(tab);
                      }
                  }
                  // 将链表节点转红黑树节点
                  TreeNode replacementTreeNode(Node p, Node next) {
                     return new TreeNode<>(p.hash, p.key, p.value, next);
                  }
                  
                  1.2.6.5 treeify方法
                  /**
                   * 将哈希表中的链表结构转换为树形结构,以提高查找效率
                   */
                  final void treeify(Node[] tab) {
                      TreeNode root = null;
                      // 开始一个循环,初始化变量x为当前节点,然后在每次迭代中将x更新为next
                      for (TreeNode x = this, next; x != null; x = next) {
                          // next赋值为x的下个节点
                          next = (TreeNode)x.next;  
                          // 将x的左右节点设置为空
                          x.left = x.right = null;    
                          // 如果还没有根节点
                          if (root == null) {
                              // 根节点没有父节点,设为null
                              x.parent = null; 
                              // 根节点必须为黑色,false为黑色
                              x.red = false; 
                              // 在将x设置为根节点
                              root = x;   
                          }
                          // 如果有根节点
                          else {
                              // k赋值为x的key
                              K k = x.key;
                              // h赋值为x的hash值
                              int h = x.hash;	
                              // 定义一个类型未知的变量kc
                              Class kc = null;
                              // 开始一个无限循环,初始化变量p为root节点,表示对树进行遍历
                              for (TreeNode p = root;;) {
                                  int dir, ph;
                                  K pk = p.key;
                                  // 比较当前节点x的哈希值h与节点p的哈希值ph,根据比较结果给变量dir赋值
                                  // 如果x节点的hash值小于p节点的hash值,则将dir赋值为-1, 代表向p的左边查找
                                  if ((ph = p.hash) > h)
                                      dir = -1;
                                  // 如果x节点的hash值大于p节点的hash值,则将dir赋值为1, 代表向p的右边查找
                                  else if (ph < h)
                                      dir = 1;
                                  // x的hash值和p的hash值相等,则比较key值
                                  // 如果k没有实现Comparable接口 或者 x节点的key和p节点的key相等
                                  else if ((kc == null && 
                                            (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                                           (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                                      // 使用定义的一套规则来比较x节点和p节点的大小,用来决定向左还是向右查找
                                      dir = tieBreakOrder(k, pk);
                   
                                  // 将p节点的父节点赋值给xp,中间变量用于下面给x的父节点赋值
                                  TreeNode xp = p;   
                                  // dir<=0则向p左边查找,否则向p右边查找,如果为null,则代表该位置即为x的目标位置
                                  if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                                      // x的父节点即为最后一次遍历的p节点
                                      x.parent = xp; 
                                      // 如果dir <= 0, 代表x节点为父节点的左节点
                                      if (dir <= 0)   
                                          xp.left = x;
                                      // 如果dir > 0, 代表x节点为父节点的右节点
                                      else    
                                          xp.right = x;
                                      // 进行红黑树的插入平衡(通过左旋、右旋和改变节点颜色来保证当前树符合红黑树的要求)
                                      root = balanceInsertion(root, x);
                                      break;
                                  }
                              }
                          }
                      }
                      // 如果root节点不在tab索引位置的头节点, 则将其调整为头节点
                      moveRootToFront(tab, root);
                  }
                  
                  1.2.7 get方法
                  /**
                   * HashMap的get操作源码+注释
                   */
                  public V get(Object key) {
                      Node e;
                      // 调用hash(key)方法计算键key的哈希值,然后调用getNode方法获取与该键对应的节点,将结果赋给变量e
                      // 如果e为null,则返回null;否则返回e节点的值e.value
                      return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
                  }
                   
                  // 获取与该键对应的节点
                  final Node getNode(int hash, Object key) {
                      Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
                      // 对table进行校验:table不为空 && table长度大于0 && table索引位置(使用table.length - 1和hash值进行位与运算)的节点不为空
                      if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
                          (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
                          // 检查first节点的hash值和key是否和入参的一样,如果一样则first即为目标节点,直接返回first节点
                          if (first.hash == hash && // always check first node
                              ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                              return first;
                          // 如果first不是目标节点,并且first的next节点不为空则继续遍历
                          if ((e = first.next) != null) {
                              if (first instanceof TreeNode)
                                  // 如果是红黑树节点,则调用红黑树的查找目标节点方法getTreeNode
                                  return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
                              // 继续遍历
                              do {
                                  // 执行链表节点的查找,向下遍历链表, 直至找到节点的key和入参的key相等时,返回该节点
                                  if (e.hash == hash &&
                                      ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                                      return e;
                              } while ((e = e.next) != null);
                          }
                      }
                      // 找不到符合的返回空
                      return null;
                  }
                  
                  1.2.8 remove方法
                  /**
                   * HashMap的remove操作源码+注释
                   */
                  public V remove(Object key) {
                      Node e;
                      return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
                          null : e.value;
                  }
                   
                  final Node removeNode(int hash, Object key, Object value,
                                             boolean matchValue, boolean movable) {
                      Node[] tab; Node p; int n, index;
                      // 如果table不为空 && table长度大于0 && 根据hash值计算出来的索引位置不为空, 将该位置的节点赋值给p
                      if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
                          (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
                          Node node = null, e; K k; V v;
                          // 如果p的hash值和key都与入参的相同, 则p即为目标节点, 赋值给node
                          if (p.hash == hash &&
                              ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                              node = p;
                          // 否则将p.next赋值给e,向下遍历节点
                          else if ((e = p.next) != null) {
                              // 如果p是TreeNode则调用红黑树的方法查找节点
                              if (p instanceof TreeNode)
                                  node = ((TreeNode)p).getTreeNode(hash, key);
                              else {
                                  // 否则,进行普通链表节点的查找
                                  do {
                                      // 当节点的hash值和key与传入的相同,则该节点即为目标节点
                                      if (e.hash == hash &&
                                          ((k = e.key) == key ||
                                           (key != null && key.equals(k)))) {
                                          // 赋值给node, 并跳出循环
                                          node = e;	
                                          break;
                                      }
                                      // p节点赋值为本次结束的e,在下一次循环中,e为p的next节点
                                      p = e;  
                                      // e指向下一个节点
                                  } while ((e = e.next) != null); 
                              }
                          }
                          // 如果node不为空,即根据传入key和hash值查找到目标节点,则进行移除操作
                          if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                               (value != null && value.equals(v)))) {
                              // 如果是TreeNode则调用红黑树的移除方法
                              if (node instanceof TreeNode)
                                  ((TreeNode)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                              // 如果node是该索引位置的头节点则直接将该索引位置的值赋值为node的next节点
                              // “node == p”只会出现在node是头节点的时候,如果node不是头节点,则node为p的next节点
                              else if (node == p)
                                  tab[index] = node.next;
                              // 否则将node的上一个节点的next属性设置为node的next节点
                              // 即将node节点移除, 将node的上下节点进行关联(链表的移除)
                              else
                                  p.next = node.next;
                              ++modCount;
                              --size;
                              // 供LinkedHashMap使用
                              afterNodeRemoval(node); 
                              // 返回被移除的节点
                              return node;
                          }
                      }
                      return null;
                  }
                  
                  1.2.9 resize方法
                  /**
                   * HashMap的resize操作源码+注释
                   */
                  final Node[] resize() {
                      Node[] oldTab = table;
                      int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
                      int oldThr = threshold;
                      int newCap, newThr = 0;
                      // 旧表的容量不为0
                      if (oldCap > 0) {
                          // 判断旧表的容量是否超过最大容量值
                          if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                              // 将阈值设置为Integer.MAX_VALUE,并直接返回旧表
                              threshold = Integer.MAX_VALUE;
                              return oldTab;
                          }
                          // 将newCap赋值为oldCap的2倍,如果newCap<最大容量小于最大容量值并且oldCap>=16
                          else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                                   oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                              // 将新阈值设置为原来的两倍
                              newThr = oldThr << 1; // double threshold
                      }
                      // 如果旧表的容量的阈值大于0, 是因为初始容量被放入阈值,则将新表的容量设置为旧表的阈值
                      else if (oldThr > 0)
                          newCap = oldThr;
                      else {
                          // 旧表的容量为0, 旧表的阈值为0,这种情况是没有传初始容量的new方法创建的空表,将阈值和容量设置为默认值
                          newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
                          newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
                      }
                      // 如果新表的阈值为空, 则通过新的容量*负载因子获得阈值
                      if (newThr == 0) {
                          float ft = (float)newCap * loadFactor;
                          newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                                    (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
                      }
                      // 将当前阈值设置为刚计算出来的新的阈值,定义新表,容量为刚计算出来的新容量,将table设置为新定义的表
                      threshold = newThr;
                      @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
                      Node[] newTab = (Node[])new Node[newCap];
                      table = newTab;
                      // 如果旧表不为空,则需遍历所有节点,将节点赋值给新表
                      if (oldTab != null) {
                          for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                              Node e;
                              // 将索引值为j的旧表头节点赋值给e
                              if ((e = oldTab[j]) != null) {  
                                  // 将旧表的节点设置为空, 以便垃圾收集器回收空间
                                  oldTab[j] = null; 
                                  // 如果e.next为空, 则代表旧表的该位置只有1个节点,计算新表的索引位置, 直接将该节点放在该位置
                                  if (e.next == null)
                                      newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                                  // 如果是红黑树节点,则进行红黑树的重hash分布(跟链表的hash分布基本相同)
                                  else if (e instanceof TreeNode)
                                      ((TreeNode)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                                  else { // preserve order
                                      // 如果是普通的链表节点,则进行普通的重hash分布
                                      // 存储索引位置为:“原索引位置”的节点
                                      Node loHead = null, loTail = null; 
                                      // 存储索引位置为:“原索引位置+oldCap”的节点
                                      Node hiHead = null, hiTail = null; 
                                      Node next;
                                      do {
                                          next = e.next;
                                          // 如果e的hash值与旧表的容量进行与运算为0,则扩容后的索引位置跟旧表的索引位置一样
                                          if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                              // 如果loTail为空
                                              if (loTail == null) 
                                                  // 将loHead赋值为第一个节点
                                                  loHead = e; 
                                              else
                                                  // 否则将节点添加在loTail后面
                                                  loTail.next = e;  
                                              // 并将loTail赋值为新增的节点
                                              loTail = e; 
                                          }
                                          else {
                                               // 如果hiTail为空, 代表该节点为第一个节点
                                              if (hiTail == null)
                                                  // 将hiHead赋值为第一个节点
                                                  hiHead = e; 
                                              else
                                                  // 否则将节点添加在hiTail后面
                                                  hiTail.next = e;   
                                              // 并将hiTail赋值为新增的节点
                                              hiTail = e; 
                                          }
                                      } while ((e = next) != null);
                                      // 如果loTail不为空(说明旧表的数据有分布到新表上“原索引位置”的节点),则将最后一个节点的next设为空,并将新表上索引位置为“原索引位置”的节点设置为对应的头节点
                                      if (loTail != null) {
                                          loTail.next = null;
                                          newTab[j] = loHead;
                                      }
                                      // 如果hiTail不为空(说明旧表的数据有分布到新表上“原索引+oldCap位置”的节点),则将最后一个节点的next设为空,并将新表上索引位置为“原索引+oldCap”的节点设置为对应的头节点
                                      if (hiTail != null) {
                                          hiTail.next = null;
                                          newTab[j + oldCap] = hiHead;
                                      }
                                  }
                              }
                          }
                      }
                      // 返回新表
                      return newTab;
                  }
                  

                  二、 应用与最佳实践

                  2.1 在实际项目中如何合理使用HashMap

                  合理使用HashMap的建议:

                  1. 缓存数据:可以使用HashMap作为缓存的数据结构,将计算结果或者频繁访问的数据存储在HashMap中,以提高数据的访问速度。
                  2. 数据索引:在需要按照某个字段快速查找数据的场景下,可以使用HashMap来构建索引,以便快速定位数据对象。
                  3. 配置信息存储:可以使用HashMap来存储应用程序的配置信息,例如键值对形式的配置参数。
                  4. 数据分组:当需要对数据进行分组时,可以使用HashMap来进行分组存储,以便快速获取特定分组的数据。
                  5. 缓存计算结果:在一些需要频繁计算的场景下,可以使用HashMap来缓存计算结果,避免重复计算。
                  6. 快速访问和修改:HashMap提供了快速的查找、插入和删除操作,适合于需要频繁进行这些操作的场景。
                  7. 代替多层嵌套的条件判断:有时候可以使用HashMap代替多层嵌套的条件判断,提高代码的可读性和可维护性。
                  8. 事件处理:可以在事件驱动的系统中使用HashMap来保存事件处理器,根据事件类型快速找到对应的处理器进行处理。
                  9. 路由表:在网络相关的应用中,可以使用HashMap来构建路由表,快速查找目标地址对应的路由信息。

                  2.2 最佳实践和注意事项

                  最佳实践:

                  1. 初始化容量: 在创建HashMap时,尽量提供初始容量,以减少扩容操作的频率。这可以通过构造函数中的参数来完成,如 HashMap(int initialCapacity)。

                    Map map = new HashMap<>(16); // 初始化容量为16
                    
                  2. 负载因子: 负载因子是指哈希表在自动扩容之前可以达到多满的一个度量。默认负载因子是0.75,你可以根据你的需求调整。

                    Map map = new HashMap<>(16, 0.8f); // 指定负载因子为0.8
                    
                  3. 选择好的哈希函数: 如果你使用自定义对象作为键,确保实现了合适的hashCode()和equals()方法。

                  4. 线程安全性: 如果在多线程环境下使用HashMap,考虑使用ConcurrentHashMap,它提供了更好的并发性能。

                    Map concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
                    
                  5. 遍历方式: 使用entrySet()来遍历HashMap,而不是分别使用keySet()和values()。这可以避免多次计算哈希码。

                    for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
                        // 处理每个键值对
                    }
                    

                  注意事项:

                  1. 空指针检查: 在使用get()方法获取值之前,最好先检查键是否存在,以避免空指针异常。

                    if (map.containsKey(key)) {
                        // 避免空指针异常
                        Integer value = map.get(key);
                        // 处理值
                    }
                    
                  2. 键和值的类型: 注意HashMap的键和值的类型,确保它们符合你的预期。使用泛型可以在编译时提供类型检查。

                  3. 扩容代价: HashMap在达到一定负载因子时会自动扩容,这可能导致性能损失。在性能敏感的场景中,可以考虑手动调整容量以减少扩容的发生。

                  4. 不要过度使用HashMap: 在某些情况下,可能有更适合的数据结构,如LinkedHashMap、TreeMap等,取决于你的需求。

                  5. 了解并发限制: 如果在并发环境下使用HashMap,要注意可能出现的并发限制,确保你的代码是线程安全的。

                  三、 结论

                  3.1 对HashMap的全面总结

                  HashMap的全面总结:

                  1. 概述:
                  • 定义: HashMap是Java集合框架中的一部分,实现了Map接口,用于存储键值对。
                  • 特性: 允许存储null键和null值,非同步(不是线程安全的)。
                    1. 基本操作:
                    • 插入元素: put(key, value)方法用于插入键值对。
                    • 获取元素: get(key)方法用于根据键获取值。
                    • 删除元素: remove(key)方法用于根据键删除键值对。
                      1. 内部实现:
                      • 数组+链表/红黑树: HashMap内部使用一个数组来存储桶(bucket),每个桶是一个链表或者红黑树,用于解决哈希冲突。
                      • 哈希算法: 通过对键的哈希码进行运算,确定键在数组中的位置。
                        1. 哈希冲突:
                        • 链表解决冲突: 相同哈希码的键值对以链表形式存储在同一桶中。
                        • 红黑树优化: 当链表长度过长时,会将链表转换为红黑树,以提高检索效率。
                          1. 扩容和负载因子:
                          • 负载因子: 默认为0.75,表示当HashMap中的元素个数达到容量乘以负载因子时,进行扩容操作。
                          • 扩容: 当达到负载因子时,HashMap会创建一个新的容量是原容量两倍的数组,将原有元素重新分配到新的数组中。
                            1. 性能:
                            • 平均时间复杂度: 插入、删除、查找的平均时间复杂度都是O(1),在理想情况下。
                            • 注意: 由于哈希冲突和扩容操作,性能可能会有所下降。
                              1. 使用注意事项:
                              • 线程安全: HashMap不是线程安全的,如果需要在多线程环境中使用,可以考虑使用ConcurrentHashMap。
                              • equals和hashCode方法: 为了正确存储和检索对象,键的类必须正确实现equals和hashCode方法。
                                1. JDK版本变化:
                                • JDK 8: 引入了红黑树优化,以提高性能。
                                • JDK 9: 基于树的桶(bin)中的元素现在是按插入顺序排序。

                                  3.2 鼓励读者深入学习和实践

                                  • 源码分析: 阅读HashMap的源代码是学习其实现原理的一种有效方式。通过查看Java标准库的HashMap源码,你可以深入了解它是如何处理哈希冲突、计算哈希码、扩容等细节的。
                                  • 实际应用: 将HashMap应用于实际项目中,观察其在不同场景下的性能表现。理解何时使用HashMap以及如何调整其初始容量等参数是很重要的。
                                  • 深入学习数据结构和算法: 了解哈希表是如何在计算机科学中工作的,并学习其他数据结构和算法,有助于更好地理解HashMap的优势和局限性。
                                  • 参与开源项目: 如果可能,参与开源项目,特别是与数据结构和算法相关的项目。通过实际的编码和与其他开发者的交流,你可以深化对HashMap以及其他数据结构的理解。

                                    盈若安好,便是晴天

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