Map桶中超过8个才转为红黑树的原因是什么
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JDK 1.8 的 HashMap 和 ConcurrentHashMap 都有这样一个特点:最开始的 Map 是空的,因为里面没有任何元素,往里放元素时会计算 hash 值,计算之后,第 1 个 value 会首先占用一个桶(也称为槽点)位置,后续如果经过计算发现需要落到同一个桶中,那么便会使用链表的形式往后延长,俗称“拉链法”,如图所示:
当链表长度大于或等于阈值(默认为 8)的时候,如果同时还满足容量大于或等于 MIN_TREEIFY_CAPACITY(默认为 64)的要求,就会把链表转换为红黑树。同样,后续如果由于删除或者其他原因调整了大小,当红黑树的节点小于或等于 6 个以后,又会恢复为链表形态。如下图:
在图中我们可以看到,有一些槽点是空的,有一些是拉链,有一些是红黑树。
那么为什么转化的这个阈值要默认设置为 8 呢?
那首先我们就要知道为什么要转换,因为转换是第一步。
每次遍历一个链表,平均查找的时间复杂度是 O(n),n 是链表的长度。红黑树有和链表不一样的查找性能,由于红黑树有自平衡的特点,可以防止不平衡情况的发生,所以可以始终将查找的时间复杂度控制在 O(log(n))。最初链表还不是很长,所以可能 O(n) 和 O(log(n)) 的区别不大,但是如果链表越来越长,那么这种区别便会有所体现。所以为了提升查找性能,需要把链表转化为红黑树的形式。
那为什么不一开始就用红黑树,反而要经历一个转换的过程呢?
在 JDK 的源码注释中已经对这个问题作了解释:
Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, use them only when bins contain enough nodes to warrant use (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due removal or resizing) they are converted back to plain bins.
这段话的意思是:单个 TreeNode 需要占用的空间大约是普通 Node 的两倍,所以只有当包含足够多的 Nodes 时才会转成 TreeNodes,而是否足够多就是由 TREEIFY_THRESHOLD 的值决定的。而当桶中节点数由于移除或者 resize 变少后,又会变回普通的链表的形式,以便节省空间。
通过查看源码可以发现,默认是链表长度达到 8 就转成红黑树,而当长度降到 6 就转换回去,这体现了时间和空间平衡的思想,最开始使用链表的时候,空间占用是比较少的,而且由于链表短,所以查询时间也没有太大的问题。可是当链表越来越长,需要用红黑树的形式来保证查询的效率。对于何时应该从链表转化为红黑树,需要确定一个阈值,这个阈值默认为 8,并且在源码中也对选择 8 这个数字做了说明,原文如下:
In usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are rarely used. Ideally, under random hashCodes, the frequency of nodes in bins follows a Poisson distribution (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a parameter of about 0.5 on average for the default resizing threshold of 0.75, although with a large variance because of resizing granularity. Ignoring variance, the expected occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) / factorial(k)). The first values are: 0: 0.60653066 1: 0.30326533 2: 0.07581633 3: 0.01263606 4: 0.00157952 5: 0.00015795 6: 0.00001316 7: 0.00000094 8: 0.00000006 more: less than 1 in ten million
上面这段话的意思是,如果 hashCode 分布良好,也就是 hash 计算的结果离散好的话,那么红黑树这种形式是很少会被用到的,因为各个值都均匀分布,很少出现链表很长的情况。在理想情况下,链表长度符合泊松分布,各个长度的命中概率依次递减,当长度为 8 的时候,概率仅为 0.00000006。这是一个小于千万分之一的概率,通常我们的 Map 里面是不会存储这么多的数据的,所以通常情况下,并不会发生从链表向红黑树的转换。这也是阈值要默认设置为 8 的原因。
出现红黑树的情况
尽管通常情况下,并不会发生从链表向红黑树的转换。但是HashMap 决定某一个元素落到哪一个桶里,是和这个对象的 hashCode 有关的,JDK 并不能阻止我们用户实现自己的哈希算法,如果我们故意把哈希算法变得不均匀,例如:
/** * @discription 演示hashmap结构从链表向红黑树的转换的情况 */ public class HashMapDemo { public static void main(String[] args) { HashMap map = new HashMap(1); for (int i = 0; i < 1000; i++) { HashMapDemo tmpHashMap = new HashMapDemo(); map.put(tmpHashMap, null); } System.out.println("运行结束"); } @Override public int hashCode() { return 1; } }
代码中新建了一个 HashMap,并且不停地往里放入值,所放入的 key 的对象,它的 hashCode 是被重写过得,并且始终返回 1。这段代码运行时,如果通过 debug 让程序暂停在 System.out.println("运行结束") 这行语句,我们观察 map 内的节点,可以发现已经变成了 TreeNode,而不是通常的 Node,这说明内部已经转为了红黑树。
实际上,链表长度超过 8 就转为红黑树的设计,更多的是为了防止用户自己实现了不好的哈希算法时导致链表过长,从而导致查询效率低,而此时转为红黑树更多的是一种保底策略,用来保证极端情况下查询的效率。
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