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曹工說JDK源碼(1)–ConcurrentHashMap,擴容前大家同在一個哈希桶,為啥擴容后,你去新數組的高位,我只能去低位?

如何計算,一對key/value應該放在哪個哈希桶

大家都知道,hashmap底層是數組+鏈表(不討論紅黑樹的情況),其中,這個數組,我們一般叫做哈希桶,大家如果去看jdk的源碼,會發現裏面有一些變量,叫做bin,這個bin,就是桶的意思,結合語境,就是哈希桶。

這裏舉個例子,假設一個hashmap的數組長度為4(0000 0100),那麼該hashmap就有4個哈希桶,分別為bucket[0]、bucket[1]、bucket[2]、bucket[3]。

現在有兩個node,hashcode分別是1(0000 0001),5(0000 0101). 我們當然知道,這兩個node,都應該放入第一個桶,畢竟1 mod 4,5 mod 4的結果,都是1。

但是,在代碼里,可不是用取模的方法來計算的,而是使用下面的方式:

int entryNodeIndex = (tableLength - 1) & hash;

應該說,在tableLength的值,為2的n次冪的時候,兩者是等價的,但是因為位運算的效率更高,因此,代碼一般都使用位運算,替代取模運算。

下面我們看看具體怎麼計算:

此處,tableLength即為哈希表的長度,此處為4. 4 – 1為3,3的二進製表示為:

0000 0011

那麼,和我們的1(0000 0001)相與:

0000 0001 -------- 1
0000 0011 -------- 3(tableLength - 1)
    相與(同為1,則為1;否則為0)
0000 0001 -------- 1     

結果為1,所以,應該放在第1個哈希桶,即數組下標為1的node。

接下來,看看5這個hashcode的節點要放在什麼位置,是怎麼計算:

0000 0101 -------- 5
0000 0011 -------- 3(tableLength - 1)
    相與(同為1,則為1;否則為0)后結果:
0000 0001 -------- 1     

擴容時,是怎麼對一個hash桶進行transfer的

此處,具體的整個transfer的細節,我們本講不會涉及太多,不過,大體的邏輯,我們可以來想一想。

以前面為例,哈希表一共4個桶,其中bucket[1]裏面,存放了兩個元素,假設是a、b,其hashcode分別是1,5.

現在,假設我們要擴容,一般來說,擴容的時候,都是新建一個bucket數組,其容量為舊錶的一倍,這裏舊錶為4,那新表就是8.

那,新表建立起來了,舊錶里的元素,就得搬到新表裡面去,等所有元素都搬到新表了,就會把新表和舊錶的指針交換。如下:

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#transfer

    private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;

	transient volatile Node<K,V>[] table;

if (finishing) {
    // 1
    nextTable = null;
    // 2
    table = nextTab;
    // 3
    sizeCtl = (tabLength << 1) - (tabLength >>> 1);
    return;
}
  • 1處,將field:nextTable(也就是新表)設為null,擴容完了,這個field就會設為null

  • 2處,將局部變量nextTab,賦值給table,這個局部變量nextTab里,就是當前已經擴容完畢的新表

  • 3處,修改表的sizeCtl為:假設此處tabLength為4,tabLength << 1 左移1位,就是8;tabLength >>> 1,右移一位,就是2,。8 – 2 = 6,正好就等於 8(新表容量) * 0.75。

    所以,這裏的sizeCtl就是,新表容量 * 負載因子,超過這個容量,基本就會觸發擴容。

ok,接着說,我們要怎麼從舊錶往新表搬呢? 那以前面的bucket[1]舉例,遍歷這個鏈表,計算各個node,應該放到新表的什麼位置,不就完了嗎?是的,理論上這麼寫就完事了。

但是,我們會怎麼寫呢?

用hashcode對新bucket數組的長度取余嗎?

jdk對效率的追求那麼高,肯定不會這麼寫的,我們看看,它怎麼寫的:

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#transfer

// 1
for (Node<K,V> p = entryNode; p != null; p = p.next) {
    // 2
    int ph = p.hash;
    K pk = p.key;
    V pv = p.val;
    
	// 3
    if ((ph & tabLength) == 0){
        lowEntryNode = new Node<K,V>(ph, pk, pv, lowEntryNode);
    }
    else{
        highEntryNode = new Node<K,V>(ph, pk, pv, highEntryNode);
    }
}
  • 1處,即遍歷舊的哈希表的某個哈希桶,假設就是遍歷前面的bucket[1],裏面有a/b兩個元素,hashcode分別為1,5那個。

  • 2處,獲取該節點的hashcode,此處分別為1,5

  • 3處,如果hashcode 和 舊錶長度相與,結果為0,則,將該節點使用頭插法,插入新表的低位;如果結果不為0,則放入高位。

    ok,什麼是高位,什麼是低位。擴容后,新的bucket數組,長度為8,那麼,前面bucket[1]中的兩個元素,將分別放入bucket[1]和bucket[5].

    ok,這裏的bucket[1]就是低位,bucket[5]為高位。

首先,大家要知道,hashmap中,容量總是2的n次方,請牢牢記住這句話。

為什麼要這麼做?你想想,這樣是不是擴容很方便?

以前,hashcode 為1,5的,都在bucket[1];而現在,擴容為8后,hashcode為1的,還是在newbucket[1],hashcode為5的,則在newbucket[5];這樣的話,是不是有一半的元素,根本不用動?

這就是我覺得的,最大的好處;另外呢,運算也比較方便,都可以使用位運算代替,效率更高。

好的,那我們現在問題來了,下面這句的原理是什麼?

    if ((ph & tabLength) == 0){
        lowEntryNode = new Node<K,V>(ph, pk, pv, lowEntryNode);
    } else{
        highEntryNode = new Node<K,V>(ph, pk, pv, highEntryNode);
    }

為啥,hashcode & 舊哈希表的容量, 結果為0的,擴容后,就會在低位,也就是維持位置不變呢?而結果不為0的,擴容后,位置在高位呢?

背後的位運算原理(大白話)

代碼里用的如下判斷,滿足這個條件,去低位;否則,去高位。

 if ((ph & tabLength) == 0)

還是用前面的例子,假設當前元素為a,hashcode為1,和哈希桶大小4,去進行運算。

0000 0001  ---- 1
0000 0100  ---- 舊哈希表容量4
&運算(同為1則為1,否則為0)
結果:
0000 0000  ---- 結果為0    

ok,這裏算出來,結果為0;什麼情況下,結果會為0呢?

那我們現在開始倒推,什麼樣的數,和 0000 0100 相與,結果會為0?

???? ????  ---- 
0000 0100  ---- 舊哈希表容量
&運算(同為1則為1,否則為0)
結果:
0000 0000  ---- 結果為0    

因為與運算的規則是,同為1,則為1;否則都為0。那麼,我們這個例子里,舊哈希表容量為 0000 0100,假設表示為2的n次方,此處n為2,我們僅有第三位(第n+1)為1,那如果對方這一位為0,那結果中的這一位,就會為0,那麼,整個數,就為0.

所以,我們的結論是:假設哈希表容量,為2的n次方,表示為二進制后,第n+1位為1;那麼,只要我們節點的hashcode,在第n+1位上為0,則最終結果是0.

反之,如果我們節點的hashcode,在第n+1位為1,則最終結果不會是0.

比如,hashcode為5的時候,會是什麼樣子?

0000 0101  ---- 5
0000 0100  ---- 舊哈希表容量
&運算(同為1則為1,否則為0)
結果:
0000 0100  ---- 結果為4    

此時,5這個hashcode,在第n+1位上為1,所以結果不為0。

至此,我們離答案好像還很遠。ok,不慌,繼續。

假設現在擴容了,新bucket數組,長度為8.

a元素,hashcode依然是1,a元素應該放到新bucket數組的哪個bucket里呢?

我們用前面說的這個算法來計算:

int entryNodeIndex = (tableLength - 1) & hash;
0000 0001  ---- 1
0000 0111  ---- 8 - 1 = 7
&運算(同為1則為1,否則為0)
結果:
0000 0001  ---- 結果為1

結果沒錯,確實應該放到新bucket[1],但怎麼推論出來呢?

    // 1
	if ((ph & tabLength) == 0){
        // 2
        lowEntryNode = new Node<K,V>(ph, pk, pv, lowEntryNode);
    }

也就是說,假設一個數,滿足1處的條件:(ph & tabLength) == 0,那怎麼推論出2呢,即應該在低位呢?

ok,條件1,前面分析了,可以得出:

這個數,第n+1位為0.

接下來,看看數組長度 – 1這個數。

數組長度 2的n次方 二進製表示 1出現的位置 數組長度-1 數組長度-1的二進制
2 2的1次方 0000 0010 第2位 1 0000 0001
4 2的2次方 0000 0100 第3位 3 0000 0011
8 2的3次方 0000 1000 第4位 7 0000 0111

好了,兩個數都有了,

???????0???????   -- 1 節點的hashcode,第n + 1位為0
000000010000000   -- 2 老數組    
000000100000000   -- 3 新數組的長度,等於老數組長度 * 2
000000011111111   -- 4 新數組的長度 - 1
    
    運算:1和4相與
    

大家注意看紅字部分,還有框出來的那一列,這一列為0,導致,最終結果,肯定是比2那一行的数字小,2這行,不就是老數組的長度嗎,那你比老數組小;你比這一行小,在新數組裡,就只能在低位了。

反之,如果節點的hashcode,這一位為1,那麼,最終結果,至少是大於等於2這一行的数字,所以,會放在高位。

參考資料

https://www.jianshu.com/p/2829fe36a8dd

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