阿里面试:HashMap是如何实现扩容?哪三步?

开发 前端
为了尽可能地减少扩容操作的次数,通常会将负载因子设置为一个较小的值,例如0.75,以保证哈希表的容量能够满足存储需求,同时又不会造成太多的空间浪费。

1.达到阈值开始扩容

如下图所示:

图片图片

HashMap的扩容机制是当HashMap中的元素个数超过了负载因子(loadFactor)与初始容量(initialCapacity)的乘积时,就会触发扩容机制。

默认的构造函数指定了扩容因子:0.75, 默认容量是16,如下所示:

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 相当于16
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;


public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

元素数量达到了阈值(即负载因子 * 桶的数量)时,会触发扩容操作,也就是说第1次扩容的动作会在元素个数达到12(16*0.75)的时候触发扩容。

为了尽可能地减少扩容操作的次数,通常会将负载因子设置为一个较小的值,例如0.75,以保证哈希表的容量能够满足存储需求,同时又不会造成太多的空间浪费。

2.开始扩容执行

HashMap通过resize()方法进行扩容,容量规则为2的幂次。

如下所示:

final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    //以前的容量大于0,也就是hashMap中已经有元素了,或者new对象的时候设置了初始容量
    if (oldCap > 0) {
        //如果以前的容量大于限制的最大容量1<<30,则设置临界值为int的最大值2^31-1
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        /**
         * 如果以前容量的2倍小于限制的最大容量,同时大于或等于默认的容量16,则设置临界值为以前临界值的2
         * 倍,因为threshold = loadFactor*capacity,capacity扩大了2倍,loadFactor不变,
         * threshold自然也扩大2倍。
         */
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                 oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    /**
     * 在HashMap构造器Hash(int initialCapacity, float loadFactor)中有一句代码,this.threshold    
     * = tableSizeFor(initialCapacity), 表示在调用构造器时,默认是将初始容量暂时赋值给了
     * threshold临界值,因此此处相当于将上一次的初始容量赋值给了新的容量。什么情况下会执行到这句?当调用    
     * 了HashMap(int initialCapacity)构造器,还没有添加元素时
     */
    else if (oldThr > 0) 
        newCap = oldThr;
    /**
     * 调用了默认构造器,初始容量没有设置,因此使用默认容量DEFAULT_INITIAL_CAPACITY(16),临界值
     * 就是16*0.75
     */
    else {               
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    //对临界值做判断,确保其不为0,因为在上面第二种情况(oldThr > 0),并没有计算newThr
    if (newThr == 0) {
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                  (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    /**构造新表,初始化表中数据*/
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    //将刚创建的新表赋值给table
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        //遍历将原来table中的数据放到扩容后的新表中来
        for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                //没有链表Node节点,直接放到新的table中下标为【e.hash & (newCap - 1)】位置即可
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                //如果是treeNode节点,则树上的节点放到newTab中
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                //如果e后面还有链表节点,则遍历e所在的链表,
                else { // 保证顺序
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        //记录下一个节点
                        next = e.next;
                        /**
                         * newTab的容量是以前旧表容量的两倍,因为数组table下标并不是根据循环逐步递增
                         * 的,而是通过(table.length-1)& hash计算得到,因此扩容后,存放的位置就
                         * 可能发生变化,那么到底发生怎样的变化呢,就是由下面的算法得到.
                         *
                         * 通过e.hash & oldCap来判断节点位置通过再次hash算法后,是否会发生改变,如
                         * 果为0表示不会发生改变,如果为1表示会发生改变。到底怎么理解呢,举个例子:
                         * e.hash = 13 二进制:0000 1101
                         * oldCap = 32 二进制:0001 0000
                         *  &运算:0  二进制:0000 0000
                         * 结论:元素位置在扩容后不会发生改变
                         */
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        /**
                         * e.hash = 18 二进制:0001 0010
                         * oldCap = 32 二进制:0001 0000
                         * &运算:32 二进制:0001 0000
                         * 结论:元素位置在扩容后会发生改变,那么如何改变呢?
                         * newCap = 64 二进制:0010 0000
                         * 通过(newCap-1)&hash
                         * 即0001 1111 & 0001 0010 得0001 0010,32+2 = 34
                         */
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        /**
                         * 若(e.hash & oldCap) == 0,下标不变,将原表某个下标的元素放到扩容表同样
                         * 下标的位置上
                         */
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        /**
                         * 若(e.hash & oldCap) != 0,将原表某个下标的元素放到扩容表中
                         * [下标+增加的扩容量]的位置上
                         */
                        newTab[j + oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

扩容会将HashMap的容量(即桶的数量)翻倍,扩容的大小是原来的2倍,并重新计算每个元素在新桶中的位置。

3.新建哈希表存储扩容

扩容操作需要创建一个新的哈希表,并将旧哈希表中的元素重新分配到新哈希表的桶中。

重新分配元素时,HashMap会对每个元素的哈希值取模得到一个新的桶位置,并将元素插入到新的桶中。

扩容操作完成后,HashMap将使用新的哈希表来存储元素,并释放旧哈希表的内存空间。

责任编辑:武晓燕 来源: mikechen的互联网架构
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