HashMap中傻傻分不清楚的那些概念

作者 | 洪亮

很多人在通過閱讀源碼的方式學習Java，這是個很好的方式。而JDK的源碼自然是首選。在JDK的眾多類中，我覺得HashMap及其相關的類是設計的比較好的。很多人讀過HashMap的代碼，不知道你們有沒有和我一樣，覺得HashMap中關於容量相關的參數定義的太多了，傻傻分不清楚。

其實，這篇文章介紹的內容比較簡單，只要認真的看看HashMap的原理還是可以理解的，單獨寫一篇文章的原因是因為我後面還有幾篇關於HashMap源碼分析的文章，這些概念不熟悉的話閱讀後面的文章會很吃力。

先來看一下，HashMap中都定義了哪些成員變量。

上面是一張HashMap中主要的成員變量的圖，其中有一個是我們本文主要關注的： size、loadFactor、threshold、DEFAULT_LOAD_FACTOR和DEFAULT_INITIAL_CAPACITY。

我們先來簡單解釋一下這些參數的含義，然後再分析他們的作用。

HashMap類中有以下主要成員變量：

• transient int size;

  • 記錄了Map中KV對的個數

• loadFactor

  • 裝載印子，用來衡量HashMap滿的程度。loadFactor的默認值為0.75f（static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;）。

• int threshold;

  • 臨界值，當實際KV個數超過threshold時，HashMap會將容量擴容，threshold＝容量*加載因子

• 除了以上這些重要成員變量外，HashMap中還有一個和他們緊密相關的概念：capacity

  • 容量，如果不指定，默認容量是16(static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;)

可能看完了你還是有點蒙，size和capacity之間有啥關係？為啥要定義這兩個變量。loadFactor和threshold又是幹啥的？

size 和 capacity

HashMap中的size和capacity之間的區別其實解釋起來也挺簡單的。我們知道，HashMap就像一個“桶”，那麼capacity就是這個桶“當前”最多可以裝多少元素，而size表示這個桶已經裝了多少元素。來看下以下代碼：

    Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
    map.put("hollis", "hollischuang");

    Class<?> mapType = map.getClass();
    Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
    capacity.setAccessible(true);
    System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));

    Field size = mapType.getDeclaredField("size");
    size.setAccessible(true);
    System.out.println("size : " + size.get(map));

我們定義了一個新的HashMap，並想其中put了一個元素，然後通過反射的方式打印capacity和size。輸出結果為：capacity : 16、size : 1

默認情況下，一個HashMap的容量（capacity）是16，設計成16的好處我在《全網把Map中的hash()分析的最透徹的文章，別無二家。》中也簡單介紹過，主要是可以使用按位與替代取模來提升hash的效率。

為什麼我剛剛說capacity就是這個桶“當前”最多可以裝多少元素呢？當前怎麼理解呢。其實，HashMap是具有擴容機制的。在一個HashMap第一次初始化的時候，默認情況下他的容量是16，當達到擴容條件的時候，就需要進行擴容了，會從16擴容成32。

我們知道，HashMap的重載的構造函數中，有一個是支持傳入initialCapacity的，那麼我們嘗試著設置一下，看結果如何。

    Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(1);

    Class<?> mapType = map.getClass();
    Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
    capacity.setAccessible(true);
    System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));

    Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(7);

    Class<?> mapType = map.getClass();
    Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
    capacity.setAccessible(true);
    System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));


    Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(9);

    Class<?> mapType = map.getClass();
    Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
    capacity.setAccessible(true);
    System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));

分別執行以上3段代碼，分別輸出：capacity : 2、capacity : 8、capacity : 16。

也就是說，默認情況下HashMap的容量是16，但是，如果用戶通過構造函數指定了一個數字作為容量，那麼Hash會選擇大於該數字的第一個2的冪作為容量。(1->1、7->8、9->16)

這裡有一個小建議：在初始化HashMap的時候，應該儘量指定其大小。尤其是當你已知map中存放的元素個數時。（《阿里巴巴Java開發規約》）

loadFactor 和 threshold

前面我們提到過，HashMap有擴容機制，就是當達到擴容條件時會進行擴容，從16擴容到32、64、128…

那麼，這個擴容條件指的是什麼呢？

其實，HashMap的擴容條件就是當HashMap中的元素個數（size）超過臨界值（threshold）時就會自動擴容。

在HashMap中，threshold = loadFactor * capacity。

loadFactor是裝載因子，表示HashMap滿的程度，默認值為0.75f，設置成0.75有一個好處，那就是0.75正好是3/4，而capacity又是2的冪。所以，兩個數的乘積都是整數。

對於一個默認的HashMap來說，默認情況下，當其size大於12(16*0.75)時就會觸發擴容。

驗證代碼如下：

    Map<String, String> map = new HashMap<>();
    map.put("hollis1", "hollischuang");
    map.put("hollis2", "hollischuang");
    map.put("hollis3", "hollischuang");
    map.put("hollis4", "hollischuang");
    map.put("hollis5", "hollischuang");
    map.put("hollis6", "hollischuang");
    map.put("hollis7", "hollischuang");
    map.put("hollis8", "hollischuang");
    map.put("hollis9", "hollischuang");
    map.put("hollis10", "hollischuang");
    map.put("hollis11", "hollischuang");
    map.put("hollis12", "hollischuang");
    Class<?> mapType = map.getClass();

    Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
    capacity.setAccessible(true);
    System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));

    Field size = mapType.getDeclaredField("size");
    size.setAccessible(true);
    System.out.println("size : " + size.get(map));

    Field threshold = mapType.getDeclaredField("threshold");
    threshold.setAccessible(true);
    System.out.println("threshold : " + threshold.get(map));

    Field loadFactor = mapType.getDeclaredField("loadFactor");
    loadFactor.setAccessible(true);
    System.out.println("loadFactor : " + loadFactor.get(map));

    map.put("hollis13", "hollischuang");
    Method capacity = mapType.getDeclaredMethod("capacity");
    capacity.setAccessible(true);
    System.out.println("capacity : " + capacity.invoke(map));

    Field size = mapType.getDeclaredField("size");
    size.setAccessible(true);
    System.out.println("size : " + size.get(map));

    Field threshold = mapType.getDeclaredField("threshold");
    threshold.setAccessible(true);
    System.out.println("threshold : " + threshold.get(map));

    Field loadFactor = mapType.getDeclaredField("loadFactor");
    loadFactor.setAccessible(true);
    System.out.println("loadFactor : " + loadFactor.get(map));

輸出結果：

capacity : 16
size : 12
threshold : 12
loadFactor : 0.75

capacity : 32
size : 13
threshold : 24
loadFactor : 0.75

當HashMap中的元素個數達到13的時候，capacity就從16擴容到32了。

HashMap中還提供了一個支持傳入initialCapacity,loadFactor兩個參數的方法，來初始化容量和裝載因子。不過，一般不建議修改loadFactor的值。

總結

HashMap中size表示當前共有多少個KV對，capacity表示當前HashMap的容量是多少，默認值是16，每次擴容都是成倍的。loadFactor是裝載因子，當Map中元素個數超過loadFactor* capacity的值時，會觸發擴容。loadFactor* capacity可以用threshold表示。

PS：文中分析基於JDK1.8.0_73

來源 | HollisChuang's Blog