hashmap源碼設計目標

A. HashMap是什麼東西

HashMap，中文名哈希映射，HashMap是一個用於存儲Key-Value鍵值對的集合，每一個鍵值對也叫做Entry。這些個鍵值對（Entry）分散存儲在一個數組當中，這個數組就是HashMap的主幹。HashMap數組每一個元素的初始值都是Null。

HashMap是基於哈希表的 Map 介面的實現。此實現提供所有可選的映射操作，並允許使用 null 值和 null 鍵。（除了非同步和允許使用 null 之外，HashMap 類與 Hashtable 大致相同。）此類不保證映射的順序，特別是它不保證該順序恆久不變。

(1)hashmap源碼設計目標擴展閱讀：

因為HashMap的長度是有限的，當插入的Entry越來越多時，再完美的Hash函數也難免會出現index沖突的情況。

HashMap數組的每一個元素不止是一個Entry對象，也是一個鏈表的頭節點。每一個Entry對象通過Next指針指向它的下一個Entry節點。當新來的Entry映射到沖突的數組位置時，只需要插入到對應的鏈表即可。

B. 深入淺出的分析 Set集合

Set集合的特點主要有：元素不重復、存儲無序的特點。

打開 Set 集合，主要實現類有 HashSet、LinkedHashSet 、TreeSet 、EnumSet（ RegularEnumSet、JumboEnumSet ）等等，總結 Set 介面實現類，圖如下：

由圖中的繼承關系，可以知道，Set 介面主要實現類有 AbstractSet、HashSet、LinkedHashSet 、TreeSet 、EnumSet（ RegularEnumSet、JumboEnumSet ），其中 AbstractSet、EnumSet 屬於抽象類，EnumSet 是在 jdk1.5 中新增的，不同的是 EnumSet 集合元素必須是枚舉類型。

HashSet 是一個輸入輸出無序的集合，集合中的元素基於 HashMap 的 key 實現，元素不可重復；
LinkedHashSet 是一個輸入輸出有序的集合，集合中的元素基於 LinkedHashMap 的 key 實現，元素也不可重復；
TreeSet 是一個排序的集合，集合中的元素基於 TreeMap 的 key 實現，同樣元素不可重復；
EnumSet 是一個與枚舉類型一起使用的專用 Set 集合，其中 RegularEnumSet 和 JumboEnumSet 不能單獨實例化，只能由 EnumSet 來生成，同樣元素不可重復；
下面咱們來對各個主要實現類進行一一分析！

HashSet 是一個輸入輸出無序的集合，底層基於 HashMap 來實現，HashSet 利用 HashMap 中的key元素來存放元素，這一點我們可以從源碼上看出來，閱讀源碼如下：

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

}

打開HashSet的add()方法，源碼如下：

public boolean add(E e) {
//向 HashMap 中添加元素
return map.put(e, PRESENT)==null;
}

其中變數PRESENT，是一個非空對象，源碼部分如下：
private static final Object PRESENT = new Object();

可以分析出，當進行add()的時候，等價於
HashMap map = new HashMap<>();
map.put(e, new Object());//e 表示要添加的元素

在之前的集合文章中，咱們了解到 HashMap 在添加元素的時候 ，通過equals()和hashCode()方法來判斷傳入的key是否相同，如果相同，那麼 HashMap 認為添加的是同一個元素，反之，則不是。

從源碼分析上可以看出，HashSet 正是使用了 HashMap 的這一特性，實現存儲元素下標無序、元素不會重復的特點。

HashSet 的刪除方法，同樣如此，也是基於 HashMap 的底層實現，源碼如下：

public boolean remove(Object o) {
//調用HashMap 的remove方法，移除元素
return map.remove(o)==PRESENT;
}

HashSet 沒有像 List、Map 那樣提供 get 方法，而是使用迭代器或者 for 循環來遍歷元素，方法如下：

public static void main(String[] args) {
Set<String> hashSet = new HashSet<String>();
System.out.println("HashSet初始容量大小："+hashSet.size());
hashSet.add("1");
hashSet.add("2");
hashSet.add("3");
hashSet.add("3");
hashSet.add("2");
hashSet.add(null);

}

輸出結果：
HashSet初始容量大小：0
HashSet容量大小：4
null,1,2,3,
===========
null,1,2,3,

需要注意的是，HashSet 允許添加為null的元素。

LinkedHashSet 是一個輸入輸出有序的集合，繼承自 HashSet，但是底層基於 LinkedHashMap 來實現。

如果你之前了解過 LinkedHashMap，那麼你一定知道，它也繼承自 HashMap，唯一有區別的是，LinkedHashMap 底層數據結構基於循環鏈表實現，並且數組指定了頭部和尾部，雖然數組的下標存儲無序，但是卻可以通過數組的頭部和尾部，加上循環鏈表，依次可以查詢到元素存儲的過程，從而做到輸入輸出有序的特點。

如果還不了解 LinkedHashMap 的實現過程，可以參閱集合系列中關於 LinkedHashMap 的實現過程文章。

閱讀 LinkedHashSet 的源碼，類定義如下：

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

}

查詢源碼，super調用的方法，源碼如下：

HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean mmy) {
//初始化一個 LinkedHashMap
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

LinkedHshSet沒有重寫add方法，而是直接調用HashSet的add()方法，因為map的實現類是LinkedHashMap，所以此處是向LinkedHashMap中添加元素，當進行add()的時候，等價於
HashMap map = new LinkedHashMap<>();
map.put(e, new Object());//e 表示要添加的元素

LinkedHashSet也沒有重寫remove方法，而是直接調用HashSet的刪除方法，因為LinkedHashMap沒有重寫remove方法，所以調用的也是HashMap的remove方法，源碼如下：

public boolean remove(Object o) {
//調用HashMap 的remove方法，移除元素
return map.remove(o)==PRESENT;
}

同樣的，LinkedHashSet 沒有提供 get 方法，使用迭代器或者 for 循環來遍歷元素，方法如下：

public static void main(String[] args) {
Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<String>();
System.out.println("linkedHashSet初始容量大小："+linkedHashSet.size());
linkedHashSet.add("1");
linkedHashSet.add("2");
linkedHashSet.add("3");
linkedHashSet.add("3");
linkedHashSet.add("2");
linkedHashSet.add(null);
linkedHashSet.add(null);

}

輸出結果：
linkedHashSet初始容量大小：0
linkedHashSet容量大小：4
1,2,3,null,
===========
1,2,3,null,
可見，LinkedHashSet 與 HashSet 相比，LinkedHashSet 輸入輸出有序。

TreeSet 是一個排序的集合，實現了NavigableSet、SortedSet、Set介面，底層基於 TreeMap 來實現。TreeSet 利用 TreeMap 中的key元素來存放元素，這一點我們也可以從源碼上看出來，閱讀源碼，類定義如下：

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable {

}

new TreeSet<>()對象實例化的時候，表達的意思，可以簡化為如下：
NavigableMap<E,Object> m = new TreeMap<E,Object>();

因為TreeMap實現了NavigableMap介面，所以沒啥問題。

public class TreeMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable{
......
}

打開TreeSet的add()方法，源碼如下：

public boolean add(E e) {
//向 TreeMap 中添加元素
return m.put(e, PRESENT)==null;
}

其中變數PRESENT，也是是一個非空對象，源碼部分如下：
private static final Object PRESENT = new Object();

可以分析出，當進行add()的時候，等價於
TreeMap map = new TreeMap<>();
map.put(e, new Object());//e 表示要添加的元素

TreeMap 類主要功能在於，給添加的集合元素，按照一個的規則進行了排序，默認以自然順序進行排序，當然也可以自定義排序，比如測試方法如下：

public static void main(String[] args) {
Map initMap = new TreeMap();
initMap.put("4", "d");
initMap.put("3", "c");
initMap.put("1", "a");
initMap.put("2", "b");
//默認自然排序，key為升序
System.out.println("默認 排序結果:" + initMap.toString());
//自定義排序，在TreeMap初始化階段傳入Comparator 內部對象
Map comparatorMap = new TreeMap<String, String>(new Comparator<String>() {
@Override
public int compare(String o1, String o2){
//根據key比較大小，採用倒敘，以大到小排序
return o2.compareTo(o1);
}
});
comparatorMap.put("4", "d");
comparatorMap.put("3", "c");
comparatorMap.put("1", "a");
comparatorMap.put("2", "b");
System.out.println("自定義 排序結果:" + comparatorMap.toString());
}

輸出結果：
默認 排序結果:{1=a, 2=b, 3=c, 4=d}
自定義 排序結果:{4=d, 3=c, 2=b, 1=a}

相信使用過TreeMap的朋友，一定知道TreeMap會自動將key按照一定規則進行排序，TreeSet正是使用了TreeMap這種特性，來實現添加的元素集合，在輸出的時候，其結果是已經排序好的。

如果您沒看過源碼TreeMap的實現過程，可以參閱集合系列文章中TreeMap的實現過程介紹，或者閱讀 jdk 源碼。

TreeSet 的刪除方法，同樣如此，也是基於 TreeMap 的底層實現，源碼如下：

public boolean remove(Object o) {
//調用TreeMap 的remove方法，移除元素
return m.remove(o)==PRESENT;
}

TreeSet 沒有重寫 get 方法，而是使用迭代器或者 for 循環來遍歷元素，方法如下：

public static void main(String[] args) {
Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
System.out.println("treeSet初始容量大小："+treeSet.size());
treeSet.add("1");
treeSet.add("4");
treeSet.add("3");
treeSet.add("8");
treeSet.add("5");

}

輸出結果：
treeSet初始容量大小：0
treeSet容量大小：5
1,3,4,5,8,
===========
1,3,4,5,8,

使用自定義排序，有 2 種方法，第一種在需要添加的元素類，實現Comparable介面，重寫compareTo方法來實現對元素進行比較，實現自定義排序。

/**

創建一個Person實體類，實現Comparable介面，重寫compareTo方法，通過變數age實現自定義排序 測試方法如下：

public static void main(String[] args) {
Set<Person> treeSet = new TreeSet<>();
System.out.println("treeSet初始容量大小："+treeSet.size());
treeSet.add(new Person("李一",18));
treeSet.add(new Person("李二",17));
treeSet.add(new Person("李三",19));
treeSet.add(new Person("李四",21));
treeSet.add(new Person("李五",20));

}

輸出結果：
treeSet初始容量大小：0
treeSet容量大小：5
按照年齡從小到大，自定義排序結果：
李二:17,李一:18,李三:19,李五:20,李四:21,

第二種方法是在TreeSet初始化階段，Person不用實現Comparable介面，將Comparator介面以內部類的形式作為參數，初始化進去，方法如下：

public static void main(String[] args) {
//自定義排序
Set<Person> treeSet = new TreeSet<>(new Comparator<Person>(){
@Override
public int compare(Person o1, Person o2) {
if(o1 == null || o2 == null){
//不用比較
return 0;
}
//從小到大進行排序
return o1.getAge() - o2.getAge();
}
});
System.out.println("treeSet初始容量大小："+treeSet.size());
treeSet.add(new Person("李一",18));
treeSet.add(new Person("李二",17));
treeSet.add(new Person("李三",19));
treeSet.add(new Person("李四",21));
treeSet.add(new Person("李五",20));

}

輸出結果：
treeSet初始容量大小：0
treeSet容量大小：5
按照年齡從小到大，自定義排序結果：
李二:17,李一:18,李三:19,李五:20,李四:21,
需要注意的是，TreeSet不能添加為空的元素，否則會報空指針錯誤！

EnumSet 是一個與枚舉類型一起使用的專用 Set 集合，繼承自AbstractSet抽象類。與 HashSet、LinkedHashSet 、TreeSet 不同的是，EnumSet 元素必須是Enum的類型，並且所有元素都必須來自同一個枚舉類型，EnumSet 定義源碼如下：

public abstract class EnumSet<E extends Enum<E>> extends AbstractSet<E>
implements Cloneable, java.io.Serializable {
......
}

EnumSet是一個虛類，不能直接通過實例化來獲取對象，只能通過它提供的靜態方法來返回EnumSet實現類的實例。

EnumSet的實現類有兩個，分別是RegularEnumSet、JumboEnumSet兩個類，兩個實現類都繼承自EnumSet。

EnumSet會根據枚舉類型中元素的個數，來決定是返回哪一個實現類，當 EnumSet元素中的元素個數小於或者等於64，就會返回RegularEnumSet實例；當EnumSet元素個數大於64，就會返回JumboEnumSet實例。

這一點，我們可以從源碼中看出，源碼如下：

public static <E extends Enum<E>> EnumSet<E> noneOf(Class<E> elementType) {
Enum<?>[] universe = getUniverse(elementType);
if (universe == null)
throw new ClassCastException(elementType + " not an enum");
//當元素個數小於或者等於 64 的時候，返回 RegularEnumSet
if (universe.length <= 64)
return new RegularEnumSet<>(elementType, universe);
else
//大於64，返回 JumboEnumSet
return new JumboEnumSet<>(elementType, universe);
}
noneOf是EnumSet中一個靜態方法，用於判斷是返回哪一個實現類。

我們來看看當元素個數小於等於64的時候，使用RegularEnumSet的類，源碼如下：

class RegularEnumSet<E extends Enum<E>> extends EnumSet<E> {

}
RegularEnumSet 通過二進制運算得到結果，直接使用long來存放元素。

我們再來看看當元素個數大於64的時候，使用JumboEnumSet的類，源碼如下：

class JumboEnumSet<E extends Enum<E>> extends EnumSet<E> {

}
JumboEnumSet 也是通過二進制運算得到結果，使用long來存放元素，但是它是使用數組來存放元素。

二者相比，RegularEnumSet 效率比 JumboEnumSet 高些，因為操作步驟少，大多數情況下返回的是 RegularEnumSet，只有當枚舉元素個數超過 64 的時候，會使用 JumboEnumSet。

添加元素：
//新建一個EnumEntity的枚舉類型，定義2個參數
public enum EnumEntity {
WOMAN,MAN;
}

創建一個空的 EnumSet：
//創建一個 EnumSet，內容為空
EnumSet<EnumEntity> noneSet = EnumSet.noneOf(EnumEntity.class);
System.out.println(noneSet);
輸出結果：
[]

創建一個 EnumSet，並將枚舉類型的元素全部添加進去：
//創建一個 EnumSet，將EnumEntity 元素內容添加到EnumSet中
EnumSet<EnumEntity> allSet = EnumSet.allOf(EnumEntity.class);
System.out.println(allSet);

輸出結果：
[WOMAN, MAN]

創建一個 EnumSet，添加指定的枚舉元素：
//創建一個 EnumSet，添加 WOMAN 到 EnumSet 中
EnumSet<EnumEntity> customSet = EnumSet.of(EnumEntity.WOMAN);
System.out.println(customSet);

查詢元素
EnumSet與HashSet、LinkedHashSet、TreeSet一樣，通過迭代器或者 for 循環來遍歷元素，方法如下：

EnumSet<EnumEntity> allSet = EnumSet.allOf(EnumEntity.class);
for (EnumEntity enumEntity : allSet) {
System.out.print(enumEntity + ",");
}

輸出結果：
WOMAN,MAN,

HashSet 是一個輸入輸出無序的 Set 集合，元素不重復，底層基於 HashMap 的 key 來實現，元素可以為空，如果添加的元素為對象，對象需要重寫 equals() 和 hashCode() 方法來約束是否為相同的元素。

LinkedHashSet 是一個輸入輸出有序的 Set 集合，繼承自 HashSet，元素不重復，底層基於 LinkedHashMap 的 key來實現，元素也可以為空，LinkedHashMap 使用循環鏈表結構來保證輸入輸出有序。

TreeSet 是一個排序的 Set 集合，元素不可重復，底層基於 TreeMap 的 key來實現，元素不可以為空，默認按照自然排序來存放元素，也可以使用 Comparable 和 Comparator 介面來比較大小，實現自定義排序。

EnumSet 是一個與枚舉類型搭配使用的專用 Set 集合，在 jdk1.5 中加入。EnumSet 是一個虛類，有2個實現類 RegularEnumSet、JumboEnumSet，不能顯式的實例化改類，EnumSet 會動態決定使用哪一個實現類，當元素個數小於等於64的時候，使用 RegularEnumSet；大於 64的時候，使用JumboEnumSet類，EnumSet 其內部使用位向量實現，擁有極高的時間和空間性能，如果元素是枚舉類型，推薦使用 EnumSet。

1、JDK1.7&JDK1.8 源碼

2、程序園 - java集合－EnumMap與EnumSet

3、 Java極客技術 - https://blog.csdn.net/javageektech/article/details/103077788

C. HashMap擴容機制

之前寫過一篇專門介紹HashMap的文章，反響很不錯，不過在留言區問得最多的問題就是HashMap的負載因子初始值為什麼是0.75，私下又好好地研究了一番，總結了這篇文章。

本篇文章基於JDK1.8，特在此說明。

OK。下面我們就開始進行分析。

HashMap源碼分析（jdk1.8，保你能看懂）

一、負載因子的作用

對於HashMap的研究，我之前一直停留在考慮源碼是如何實現的，現在當我重新再來看的時候，才發現，系統默認的各種參數值，才是HashMap的精華所在。

負載因子是和擴容機制有關的，意思是如果當前容器的容量，達到了我們設定的最大值，就要開始執行擴容操作。舉個例子來解釋，避免小白聽不懂：

比如說當前的容器容量是16，負載因子是0.75,16*0.75=12，也就是說，當容量達到了12的時候就會進行擴容操作。

他的作用很簡單，相當於是一個擴容機制的閾值。當超過了這個閾值，就會觸發擴容機制。HashMap源碼已經為我們默認指定了負載因子是0.75。

我截取了部分源碼，從這里可以看出，系統默認的負載因子值就是0.75，而且我們還可以在構造方法中去指定。下面我們就正式來分析一下為什麼是默認的0.75。

二、原因解釋（重點）

我們在考慮HashMap的時候，首先要想到的是HashMap只是一個數據結構，既然是數據結構最主要的就是節省時間和空間。負載因子的作用肯定也是節省時間和空間。為什麼節省呢？我們考慮兩種極端情況。

1、負載因子是1.0

我們先看HashMap的底層數據結構

我們的數據一開始是保存在數組裡面的，當發生了Hash碰撞的時候，就是在這個數據節點上，生出一個鏈表，當鏈表長度達到一定長度的時候，就會把鏈表轉化為紅黑樹。

當負載因子是1.0的時候，也就意味著，只有當數組的8個值（這個圖表示了8個）全部填充了，才會發生擴容。這就帶來了很大的問題，因為Hash沖突時避免不了的。當負載因子是1.0的時候，意味著會出現大量的Hash的沖突，底層的紅黑樹變得異常復雜。對於查詢效率極其不利。這種情況就是犧牲了時間來保證空間的利用率。

因此一句話總結就是負載因子過大，雖然空間利用率上去了，但是時間效率降低了。

2、負載因子是0.5

負載因子是0.5的時候，這也就意味著，當數組中的元素達到了一半就開始擴容，既然填充的元素少了，Hash沖突也會減少，那麼底層的鏈表長度或者是紅黑樹的高度就會降低。查詢效率就會增加。

但是，兄弟們，這時候空間利用率就會大大的降低，原本存儲1M的數據，現在就意味著需要2M的空間。

一句話總結就是負載因子太小，雖然時間效率提升了，但是空間利用率降低了。

3、負載因子0.75

經過前面的分析，基本上為什麼是0.75的答案也就出來了，這是時間和空間的權衡。當然這個答案不是我自己想出來的。答案就在源碼上，我們可以看看：

大致意思就是說負載因子是0.75的時候，空間利用率比較高，而且避免了相當多的Hash沖突，使得底層的鏈表或者是紅黑樹的高度比較低，提升了空間效率。

OK，寫到這答案基本上就出來了，一句話能總結的寫成了一篇文章。如有問題，還請批評指正。