分析 HashSet、HashMap 底层 添加、遍历 元素的机制，追踪并分析源码
HashSet 类图
HashSet 简单说明
HashSet实现了Set接口
HashSet底层实际上是由HashMap实现的
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
- 可以存放
null，但是只能有一个null
HashSet不保证元素是有序的(即不保证存放元素的顺序和取出元素的顺序一致)，取决于hash后，再确定索引的结果
- 不能有重复的元素
HashSet 底层机制说明
HashSet底层是HashMap，HashMap底层是 数组 + 链表 + 红黑树
模拟数组+链表的结构
/**
* 模拟 HashSet 数组+链表的结构
*/
public class HashSetStructureMain {
public static void main(String[] args) {
// 模拟一个 HashSet(HashMap) 的底层结构
// 1. 创建一个数组，数组的类型为 Node[]
// 2. 有些地方直接把 Node[] 数组称为 表
Node[] table = new Node[16];
System.out.println(table);
// 3. 创建节点
Node john = new Node("john", null);
table[2] = jhon; // 把节点 john 放在数组索引为 2 的位置
Node jack = new Node("jack", null);
jhon.next = jack; // 将 jack 挂载到 jhon 的后面
Node rose = new Node("rose", null);
jack.next = rose; // 将 rose 挂载到 jack 的后面
Node lucy = new Node("lucy", null);
table[3] = lucy; // 将 lucy 放在数组索引为 3 的位置
System.out.println(table);
}
}
// 节点类 存储数据，可以指向下一个节点，从而形成链表
class Node{
Object item; // 存放数据
Node next; // 指向下一个节点
public Node(Object item, Node next){
this.item = item;
this.next = next;
}
}
HashSet 添加元素底层机制
HashSet 添加元素的底层实现
HashSet底层是HashMap
- 当添加一个元素时，会先得到 待添加元素的
hash值，然后将其转换成一个 索引值
- 查询存储数据表(Node 数组)
table，看当前 待添加元素 所对应的 索引值 的位置是否已经存放了 其它元素
- 如果当前 索引值 所对应的的位置不存在 其它元素，就将当前 待添加元素 放到这个 索引值 所对应的的位置
- 如果当前 索引值 所对应的位置存在 其它元素，就调用
待添加元素.equals(已存在元素)比较，结果为true，则放弃添加；结果为false，则将 待添加元素 放到 已存在元素 的后面(已存在元素.next = 待添加元素)
HashSet 扩容机制
HashSet的底层是HashMap，第一次添加元素时，table数组扩容到cap = 16，threshold(临界值) = cap * loadFactor(加载因子 0.75) = 12
- 如果
table数组使用到了临界值 12，就会扩容到cap * 2 = 32，新的临界值就是32 * 0.75 = 24，以此类推
- 在 Java8 中，如果一条链表上的元素个数 到达
TREEIFY_THRESHOLD(默认是 8)，并且table的大小 >=MIN_TREEIFY_CAPACITY(默认是 64)，就会进行 树化(红黑树)
- 判断是否扩容是根据
++size > threshold，即是否扩容，是根据HashMap所存的元素个数(size)是否超过临界值，而不是根据table.length()是否超过临界值
HashSet 添加元素源码
/**
* HashSet 源码分析
*/
public class HashSetSourceMain {
public static void main(String[] args) {
HashSet hashSet = new HashSet();
hashSet.add("java");
hashSet.add("php");
hashSet.add("java");
System.out.println("set = " + hashSet);
// 源码分析
// 1. 执行 HashSet()
/**
* public HashSet() { // HashSet 底层是 HashMap
* map = new HashMap<>();
* }
*/
// 2. 执行 add()
/**
* public boolean add(E e) { // e == "java"
* // HashSet 的 add() 方法其实是调用 HashMap 的 put()方法
* return map.put(e, PRESENT)==null; // (static) PRESENT = new Object(); 用于占位
* }
*/
// 3. 执行 put()
// hash(key) 得到 key(待存元素) 对应的hash值，并不等于 hashcode()
// 算法是 h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16
/**
* public V put(K key, V value) {
* return putVal(hash(key), key, value, false, true);
* }
*/
// 4. 执行 putVal()
// 定义的辅助变量：Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// table 是 HashMap 的一个属性，初始化为 null；transient Node<K,V>[] table;
// resize() 方法，为 table 数组指定容量
// p = tab[i = (n - 1) & hash] 计算 key的hash值所对应的 table 中的索引位置，将索引位置对应的 Node 赋给 p
/**
* final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
* boolean evict) {
* Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; // 辅助变量
* // table 就是 HashMap 的一个属性，类型是 Node[]
* // if 语句表示如果当前 table 是 null，或者 table.length == 0
* // 就是 table 第一次扩容，容量为 16
* if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
* n = (tab = resize()).length;
* // 1. 根据 key，得到 hash 去计算key应该存放到 table 的哪个索引位置
* // 2. 并且把这个位置的索引值赋给 i；索引值对应的元素，赋给 p
* // 3. 判断 p 是否为 null
* // 3.1 如果 p 为 null，表示还没有存放过元素，就创建一个Node(key="java",value=PRESENT)，并把这个元素放到 i 的索引位置
* // tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
* if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
* tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
* else {
* Node<K,V> e; K k; // 辅助变量
* // 如果当前索引位置对应的链表的第一个元素和待添加的元素的 hash值一样
* // 并且满足下面两个条件之一：
* // 1. 待添加的 key 与 p 所指向的 Node 节点的key 是同一个对象
* // 2. 待添加的 key.equals(p 指向的 Node 节点的 key) == true
* // 就认为当前待添加的元素是重复元素，添加失败
* if (p.hash == hash &&
* ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
* e = p;
* // 判断 当前 p 是不是一颗红黑树
* // 如果是一颗红黑树，就调用 putTreeVal，来进行添加
* else if (p instanceof TreeNode)
* e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
* else {
* // 如果 当前索引位置已经形成一个 链表，就使用 for 循环比较
* // 将待添加元素依次和链表上的每个元素进行比较
* // 1. 比较过程中如果出现待添加元素和链表中的元素有相同的，比较结束，出现重复元素，添加失败
* // 2. 如果比较到链表最后一个元素，链表中都没出现与待添加元素相同的，就把当前待添加元素放到该链表最后的位置
* // 注意：在把待添加元素添加到链表后，立即判断 该链表是否已经到达 8 个节点
* // 如果到达，就调用 treeifyBin() 对当前这个链表进行数化(转成红黑树)
* // 注意：在转成红黑树前，还要进行判断
* // if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
* // resize();
* // 如果上面条件成立，先对 table 进行扩容
* // 如果上面条件不成立，才转成红黑树
* for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
* if ((e = p.next) == null) {
* p.next = newNode(hash, key, value, null);
* if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
* treeifyBin(tab, hash);
* break;
* }
* if (e.hash == hash &&
* ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
* break;
* p = e;
* }
* }
* // e 不为 null ，说明添加失败
* if (e != null) { // existing mapping for key
* V oldValue = e.value;
* if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
* e.value = value;
* afterNodeAccess(e);
* return oldValue;
* }
* }
* ++modCount;
* // 扩容：说明判断 table 是否扩容不是看 table 的length
* // 而是看 整个 HashMap 的 size(即已存元素个数)
* if (++size > threshold)
* resize();
* afterNodeInsertion(evict);
* return null;
* }
*/
}
}
HashSet 遍历元素底层机制
HashSet 遍历元素底层机制
-
HashSet的底层是HashMap，HashSet的迭代器也是借由HashMap来实现的 -
HashSet.iterator()实际上是去调用HashMap的KeySet().iterator()
public Iterator<E> iterator() {
return map.keySet().iterator();
}
KeySet()方法返回一个KeySet对象，而KeySet是HashMap的一个内部类
public Set<K> keySet() {
Set<K> ks = keySet;
if (ks == null) {
ks = new KeySet();
keySet = ks;
}
return ks;
}
KeySet().iterator()方法返回一个KeyIterator对象，KeyIterator是HashMap的一个内部类
public final Iterator<K> iterator() { return new KeyIterator(); }
KeyIterator继承了HashIterator(HashMap的内部类) 类，并实现了Iterator接口，即KeyIterator、HashIterator才是真正实现 迭代器 的类
final class KeyIterator extends HashIterator
implements Iterator<K> {
public final K next() { return nextNode().key; }
}
-
当执行完
Iterator iterator = HashSet.iterator;之后，此时的iterator对象中已经存储了一个元素节点-
怎么做到的？
-
回到第 4 步，
KeySet().iterator()方法返回一个KeyIterator对象 -
new KeyIterator()调用KeyIterator的无参构造器 -
在这之前，会先调用其父类
HashIterator的无参构造器 -
因此，分析
HashIterator的无参构造器就知道发生了什么/** * Node<K,V> next; // next entry to return * Node<K,V> current; // current entry * int expectedModCount; // for fast-fail * int index; // current slot * HashIterator() { * expectedModCount = modCount; * Node<K,V>[] t = table; * current = next = null; * index = 0; * if (t != null && size > 0) { // advance to first entry * do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null); * } * } */ -
next、current、index都是HashIterator的属性 -
Node<K,V>[] t = table;先把Node数组talbe赋给t -
current = next = null;current、next都置为null -
index = 0;index置为0 -
do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);这个do-while会在table中遍历Node结点 -
一旦
(next = t[index++]) == null不成立 时，就说明找到了一个table中的Node结点 -
将这个节点赋给
next，并退出当前do-while循环 -
此时
Iterator iterator = HashSet.iterator;就执行完了 -
当前
iterator的运行类型其实是HashIterator，而HashIterator的next中存储着从table中遍历出来的一个Node结点
-
-
执行
iterator.hasNext-
此时的
next存储着一个Node，所以并不为null，返回truepublic final boolean hasNext() { return next != null; }
-
-
执行
iterator.next()Node<K,V> e = next;把当前存储着Node结点的next赋值给了e(next = (current = e).next) == null判断当前结点的下一个结点是否为null- (a). 如果当前结点的下一个结点为
null，就执行do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);，在table数组中遍历，寻找table数组中的下一个Node并赋值给next - (b). 如果当前结点的下一个结点不为
null，就将当前结点的下一个结点赋值给next，并且此刻不会去table数组中遍历下一个Node结点
- (a). 如果当前结点的下一个结点为
- 将找到的结点
e返回 - 之后每次执行
iterator.next()都像 (a)、(b) 那样去判断遍历，直到遍历完成
HashSet 遍历元素源码
/**
* HashSet 源码分析
*/
public class HashSetSourceMain {
public static void main(String[] args) {
HashSet hashSet = new HashSet();
hashSet.add("java");
hashSet.add("php");
hashSet.add("java");
System.out.println("set = " + hashSet);
// HashSet 迭代器实现原理
// HashSet 底层是 HashMap，HashMap 底层是 数组 + 链表 + 红黑树
// HashSet 本身没有实现迭代器，而是借由 HashMap 来实现的
// 1. hashSet.iterator() 实际上是去调用 HashMap 的 keySet().iterator()
/**
* public Iterator<E> iterator() {
* return map.keySet().iterator();
* }
*/
// 2. KeySet() 方法返回一个 KeySet 对象，而 KeySet 是 HashMap 的一个内部类
/**
* public Set<K> keySet() {
* Set<K> ks = keySet;
* if (ks == null) {
* ks = new KeySet();
* keySet = ks;
* }
* return ks;
* }
*/
// 3. KeySet().iterator() 方法返回一个 KeyIterator 对象，KeyIterator 是 HashMap的一个内部类
/**
* public final Iterator<K> iterator() { return new KeyIterator(); }
*/
// 4. KeyIterator 继承了 HashIterator(HashMap的内部类) 类，并实现了 Iterator 接口
// 即 KeyIterator、HashIterator 才是真正实现 迭代器的类
/**
* final class KeyIterator extends HashIterator
* implements Iterator<K> {
* public final K next() { return nextNode().key; }
* }
*/
// 5. 当执行完 Iterator iterator = hashSet.iterator(); 后
// 此时的 iterator 对象中已经存储了一个元素节点
// 怎么做到的？
// 回到第 3 步，KeySet().iterator() 方法返回一个 KeyIterator 对象
// new KeyIterator() 调用 KeyIterator 的无参构造器
// 在这之前，会先调用 KeyIterator 父类 HashIterator 的无参构造器
// 因此分析 HashIterator 的无参构造器就知道发生了什么
/**
* Node<K,V> next; // next entry to return
* Node<K,V> current; // current entry
* int expectedModCount; // for fast-fail
* int index; // current slot
* HashIterator() {
* expectedModCount = modCount;
* Node<K,V>[] t = table;
* current = next = null;
* index = 0;
* if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
* do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
* }
* }
*/
// 5.0 next, current, index 都是 HashIterator 的属性
// 5.1 Node<K,V>[] t = table; 先把 Node 数组 table 赋给 t
// 5.2 current = next = null; 把 current 和 next 都置为 null
// 5.3 index = 0; index 置为 0
// 5.4 do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
// 这个 do{} while 循环会在 table 中 遍历 Node节点
// 一旦 (next = t[index++]) == null 不成立时，就说明找到了一个 table 中的节点
// 将这个节点赋给 next，并退出当前 do while循环
// 此时 Iterator iterator = hashSet.iterator(); 就执行完了
// 当前 iterator 的运行类型其实是 HashIterator，而 HashIterator 的 next 中存储着从 table 中遍历出来的一个 Node节点
// 6. 执行 iterator.hasNext()
/**
* public final boolean hasNext() {
* return next != null;
* }
*/
// 6.1 此时的 next 存储着一个 Node，所以并不为 null，返回 true
// 7. 执行 iterator.next()，其实是去执行 HashIterator 的 nextNode()
/**
* final Node<K,V> nextNode() {
* Node<K,V>[] t;
* Node<K,V> e = next;
* if (modCount != expectedModCount)
* throw new ConcurrentModificationException();
* if (e == null)
* throw new NoSuchElementException();
* if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
* do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
* }
* return e;
* }
*/
// 7.1 Node<K,V> e = next; 把当前存储着 Node 节点的 next 赋值给了 e
// 7.2 (next = (current = e).next) == null
// 判断当前节点的下一个节点是否为 null
// a. 如果当前节点的下一个节点为 null
// 就执行 do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
// 再 table 数组中 遍历，寻找 table 数组中的下一个 Node 并赋值给 next
// b. 如果当前节点的下一个节点不为 null
// 就将当前节点的下一个节点赋值给 next，并且此刻不会去 table 数组中遍历下一个 Node 节点
// 7.3 将找到的节点 e 返回
// 7.4 之后每次执行 iterator.next()，都像 a、b 那样去判断遍历，直到遍历完成
Iterator iterator = hashSet.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Object next = iterator.next();
System.out.println(next);
}
}
}
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