はじめに
Java 8では、基礎となるHashMapで使用される構造は、配列、連鎖リスト、赤黒木です。要素数がある値より少ない場合は連鎖リスト＋配列、要素数がある値より多い場合は赤黒木＋配列という構造になります。したがって、Java 8のHashMapを理解するには、まず赤黒木などの概念や性質を理解する必要があります。
この記事はjava 7のHashMapを理解した上で読むことをお勧めします。
赤い木と黒い木の簡単な紹介
HashMapのソースコードを読む前に、赤黒木のいくつかの特徴を理解することが重要です。ここでは、赤黒木の挿入と削除をよりよく理解するために、以下のリンクを開くことをお勧めします。
www.cs.usfca.edu/~galles/vis...
赤黒木の定義
- 各ノードは黒か赤
- ルート・ノードが黒
- 各リーフノードは黒
- ノードが赤の場合、その息子は両方とも黒です。
- 各ノードについて、そのノードから任意のリーフ・ノードへのすべてのパスは、同じ数のブラック・ノードを含みます。
基本操作
それぞれの新しいノードは、デフォルトの赤で挿入することができ、数値比較のサイズに応じて、位置を決定し、その色を決定することができます。
親ノードが黒の場合、挿入されるノードはその位置を決定するだけでよいのです。
親ノードが赤の場合：
- おじさんは空回り＋色変わり
2. 叔父は赤、親＋叔父ノードは黒、祖父ノードは赤
3.おじさんは黒、回転＋色変更
赤黒木の挿入操作 - ソースコード
TreeNodeには多数の属性があります。
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
super(hash, key, val, next);
}
/**
* Returns root of tree containing this node.
*/
final TreeNode<K,V> root() {
for (TreeNode<K,V> r = this, p;;) {
if ((p = r.parent) == null)
return r;
r = p;
}
}
static class Entry<K,V> extends HashMap.Node<K,V> {
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
挿入操作
static <K,V> TreeNode<K,V> balanceInsertion(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> x) {
//デフォルトは赤
x.red = true;
//xは現在の挿入ノード、xpは親ノード、xppは祖父ノード、xpplは祖父ノードの左ノード、xpprは祖父ノードの右ノードである。
for (TreeNode<K,V> xp, xpp, xppl, xppr;;) {
//つまり、ルート・ノード
if ((xp = x.parent) == null) {
//
x.red = false;
return x;
}
//親ノードがルート・ノードである
else if (!xp.red || (xpp = xp.parent) == null)
return root;
//例として、このような場合を考えてみよう。
if (xp == (xppl = xpp.left)) {
//祖父ノードの右の子が空でなく、赤である場合、これは上記の基本操作2と同様である。
if ((xppr = xpp.right) != null && xppr.red) {
xppr.red = false;
xp.red = false;
xpp.red = true;
x = xpp;
}
else {
if (x == xp.right) {
//個々のノードを再確認する。
root = rotateLeft(root, x = xp);
xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
}
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateRight(root, xpp);
}
}
}
}
//上のifと似ている
else {
if (xppl != null && xppl.red) {
xppl.red = false;
xp.red = false;
xpp.red = true;
x = xpp;
}
else {
if (x == xp.left) {
root = rotateRight(root, x = xp);
xpp = (xp = x.parent) == null ? null : xp.parent;
}
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateLeft(root, xpp);
}
}
}
}
}
}
回転操作、左回転を例にとります。
static <K,V> TreeNode<K,V> rotateLeft(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> p) {
TreeNode<K,V> r, pp, rl;
//ここでpは上記で渡されたxp、つまり親ノードを指す
if (p != null && (r = p.right) != null) {
if ((rl = p.right = r.left) != null)
rl.parent = p;
if ((pp = r.parent = p.parent) == null)
(root = r).red = false;
else if (pp.left == p)
pp.left = r;
else
pp.right = r;
r.left = p;
p.parent = r;
}
return root;
}
左利きの場合 1: 親ノードが空でなく、挿入された右の子ノードがそれ自身の左の子を持つ場合。
if (p != null && (r = p.right) != null)
if ((rl = p.right = r.left) != null)
rl.parent = p;
if ((pp = r.parent = p.parent) == null)
(root = r).red = false;
左利きのケース2：親ノードが空でなく、挿入された右の子ノードが他の子ノードを持たず、親ノードが祖父ノードの左の子である場合。
if (p != null && (r = p.right) != null)
else if (pp.left == p)
左手ケースIII：ケースIIとは逆に、親ノードが空でなく、挿入された右の子ノードが他の子ノードを持たず、親ノードが祖父ノードの右の子である場合。
例として左回りのケース 2 を見てみましょう。balanceInsertionメソッドでは、この時点で個々のノードを再決定し、右回転させます。
if (xp != null) {
xp.red = false;
if (xpp != null) {
xpp.red = true;
root = rotateRight(root, xpp);
}
}
//左利きと同じようなもので、ここでは繰り返さない
static <K,V> TreeNode<K,V> rotateRight(TreeNode<K,V> root,
TreeNode<K,V> p) {
TreeNode<K,V> l, pp, lr;
if (p != null && (l = p.left) != null) {
if ((lr = p.left = l.right) != null)
lr.parent = p;
if ((pp = l.parent = p.parent) == null)
(root = l).red = false;
else if (pp.right == p)
pp.right = l;
else
pp.left = l;
l.right = p;
p.parent = l;
}
return root;
}
putValメソッドのソースコード
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//ポジション・ノードが空なので、Nodeオブジェクトを作成する。
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//挿入された値がすでに存在している
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//型がTreeNodeかどうかを判断する
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
//ChainedTable型の下で
else {
//連鎖表を繰り返し処理する
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
//
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null); //値がしきい値より大きいかどうかを判断し、しきい値より大きい場合は赤黒木に変換する。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1)
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
//値が連鎖テーブルに存在するかどうかを判断する
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//
if (e != null) {
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
//修正
++modCount;
//展開するかどうかの判断
if (++size > threshold)
resize();
//
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
treeifyBinメソッドのソースコード
final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
int n, index; Node<K,V> e;
//配列が空であり、配列のサイズが64未満であるかどうか、それはツリーではなく、拡張に行く、拡張した後、クエリの効率を向上させるように、チェーンテーブルの長さが短くなる可能性があるため
if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
resize();
else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
//単一連鎖表を双方向連鎖表にする
do {
//TreeNodeノードを返すのと等価である。
TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
if (tl == null)
hd = p;
else {
p.prev = tl;
tl.next = p;
}
tl = p;
} while ((e = e.next) != null);
if ((tab[index] = hd) != null)
hd.treeify(tab);
}
}
final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
TreeNode<K,V> root = null;
//双方向チェインテーブルを繰り返し処理する
for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
next = (TreeNode<K,V>)x.next;
x.left = x.right = null;
if (root == null) {
x.parent = null;
x.red = false;
root = x;
}
else {
K k = x.key;
int h = x.hash;
Class<?> kc = null;
//赤黒木を繰り返し処理する
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph;
//現在トラバースしているノードのキー
K pk = p.key;
//現在のノードと挿入されたノードのハッシュ値のサイズを比較して、現在の左ノードと右ノードのどちらに挿入するかを決定する。
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
else if (ph < h)
dir = 1;
else if ((kc == null &&
//もしnullの戻り値に実装されていない場合、Comparableインターフェイスの実装が、実行時の戻り値の型の実装がkかどうかを判断する
// xがkc型の場合、kを返す。.compareTo(x)xがnullであるか、型がkcでない場合、0を返す。
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
//まず、2つのオブジェクトのクラス名を比較する。クラス名は文字列オブジェクトであり、文字列比較ルールに従っている。 2つのオブジェクトが同じ型であれば、ローカル・メソッドを呼び出して2つのオブジェクトのhashCode値を生成し、比較する。，k<=pk,は-1を返す。
dir = tieBreakOrder(k, pk);
TreeNode<K,V> xp = p;
//左と右のサブツリーを決定する
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
x.parent = xp;
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
root = balanceInsertion(root, x);
break;
}
}
}
}
//ルート・ノードが双方向チェーン・テーブルのヘッド・ノードであると判断する
moveRootToFront(tab, root);
}
//非フォーカス、ここでは繰り返さない
static <K,V> void moveRootToFront(Node<K,V>[] tab, TreeNode<K,V> root) {
int n;
if (root != null && tab != null && (n = tab.length) > 0) {
int index = (n - 1) & root.hash;
TreeNode<K,V> first = (TreeNode<K,V>)tab[index];
if (root != first) {
Node<K,V> rn;
tab[index] = root;
TreeNode<K,V> rp = root.prev;
if ((rn = root.next) != null)
((TreeNode<K,V>)rn).prev = rp;
if (rp != null)
rp.next = rn;
if (first != null)
first.prev = root;
root.next = first;
root.prev = null;
}
assert checkInvariants(root);
}
}
resize
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
//MAXIMUM_CAPACITY:1<<30
//DEFAULT_INITIAL_CAPACITY:16
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1;
}
else if (oldThr > 0)
newCap = oldThr;
//oldCap==0
else {
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
//新しい閾値を割り当てる
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
//以上が初期化処理である。
if (oldTab != null) {
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
//eの次のノードが空、つまり現在のoldTabのとき[j]次のノードが空の場合、新しい配列の添え字を直接
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
//
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
//
else {
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
//Java 7HashMapの展開操作に似ている、つまり、ノードの下の連鎖表の下の配列添え字は、現在の配列添え字のまま、または現在の添え字のどちらかで展開される+old.length
do {
next = e.next;
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}
//双方向リンクリストを使って、赤黒木を2つの小さなリンクリストに分割しようとしている。
final void split(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int index, int bit) {
TreeNode<K,V> b = this;
TreeNode<K,V> loHead = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
//resizeでの操作と同様に、2つのリンクリストに分割する。
for (TreeNode<K,V> e = b, next; e != null; e = next) {
next = (TreeNode<K,V>)e.next;
e.next = null;
if ((e.hash & bit) == 0) {
if ((e.prev = loTail) == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
++lc;
}
else {
if ((e.prev = hiTail) == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
++hc;
}
}
if (loHead != null) {
//連鎖表の低レベルが6未満の場合、一方向性連鎖表に変換される。
if (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index] = loHead.untreeify(map);
//チェーンテーブルの高レベルが存在しない場合、それはツリーの直接転送に等しい、この時点で、まだツリーを維持する
else {
tab[index] = loHead;
if (hiHead != null)
loHead.treeify(tab);
}
}
//上記に似ている
if (hiHead != null) {
if (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD)
tab[index + bit] = hiHead.untreeify(map);
else {
tab[index + bit] = hiHead;
if (loHead != null)
hiHead.treeify(tab);
}
}
}
get
そのままソースコードを提供
public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash &&
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) {
return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null);
}
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
TreeNode<K,V> p = this;
do {
int ph, dir; K pk;
TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
if ((ph = p.hash) > h)
p = pl;
else if (ph < h)
p = pr;
else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
return p;
else if (pl == null)
p = pr;
else if (pr == null)
p = pl;
else if ((kc != null ||
(kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
p = (dir < 0) ? pl : pr;
else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
return q;
else
p = pl;
} while (p != null);
return null;
}
remove
public final void remove() {
Node<K,V> p = current;
if (p == null)
throw new IllegalStateException();
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
current = null;
K key = p.key;
removeNode(hash(key), key, null, false, false);
expectedModCount = modCount;
}
//連鎖表か赤黒木かを判断し、連鎖表であれば、まず取得し、次に削除する。.8matchメソッドで、削除するキーと値を照合し、ツリーであればremoveTreeNodeメソッドを実行する。
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
boolean matchValue, boolean movable) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
node = p;
else if ((e = p.next) != null) {
if (p instanceof TreeNode)
node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
else {
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key ||
(key != null && key.equals(k)))) {
node = e;
break;
}
p = e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
(value != null && value.equals(v)))) {
if (node instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
else if (node == p)
tab[index] = node.next;
else
p.next = node.next;
++modCount;
--size;
afterNodeRemoval(node);
return node;
}
}
return null;
}
final void removeTreeNode(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
boolean movable) {
int n;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
return;
int index = (n - 1) & hash;
TreeNode<K,V> first = (TreeNode<K,V>)tab[index], root = first, rl;
TreeNode<K,V> succ = (TreeNode<K,V>)next, pred = prev;
if (pred == null)
tab[index] = first = succ;
else
pred.next = succ;
if (succ != null)
succ.prev = pred;
if (first == null)
return;
if (root.parent != null)
root = root.root();
if (root == null
|| (movable
&& (root.right == null
|| (rl = root.left) == null
|| rl.left == null))) {
tab[index] = first.untreeify(map);
return;
}
TreeNode<K,V> p = this, pl = left, pr = right, replacement;
if (pl != null && pr != null) {
TreeNode<K,V> s = pr, sl;
while ((sl = s.left) != null)
s = sl;
boolean c = s.red; s.red = p.red; p.red = c;
TreeNode<K,V> sr = s.right;
TreeNode<K,V> pp = p.parent;
if (s == pr) {
p.parent = s;
s.right = p;
}
else {
TreeNode<K,V> sp = s.parent;
if ((p.parent = sp) != null) {
if (s == sp.left)
sp.left = p;
else
sp.right = p;
}
if ((s.right = pr) != null)
pr.parent = s;
}
p.left = null;
if ((p.right = sr) != null)
sr.parent = p;
if ((s.left = pl) != null)
pl.parent = s;
if ((s.parent = pp) == null)
root = s;
else if (p == pp.left)
pp.left = s;
else
pp.right = s;
if (sr != null)
replacement = sr;
else
replacement = p;
}
else if (pl != null)
replacement = pl;
else if (pr != null)
replacement = pr;
else
replacement = p;
if (replacement != p) {
TreeNode<K,V> pp = replacement.parent = p.parent;
if (pp == null)
root = replacement;
else if (p == pp.left)
pp.left = replacement;
else
pp.right = replacement;
p.left = p.right = p.parent = null;
}
TreeNode<K,V> r = p.red ? root : balanceDeletion(root, replacement);
if (replacement == p) {
TreeNode<K,V> pp = p.parent;
p.parent = null;
if (pp != null) {
if (p == pp.left)
pp.left = null;
else if (p == pp.right)
pp.right = null;
}
}
if (movable)
moveRootToFront(tab, r);
}
TreeNodeタイプが削除された場合、以下の条件のいずれかを満たす必要があるときは、赤黒ツリーを連鎖テーブルに変換することが可能であることに注意してください。
root == null
movable
root.right == null
(rl = root.left) == null
rl.left == null
赤黒ツリーの削除操作は複雑すぎるので、私のコーディングスキルが向上したら、またこの穴を埋めに行きます
