Java源码解析HashMap的keySet()方法

HashMap的keySet()方法比较简单，作用是获取HashMap中的key的集合。虽然这个方法十分简单，似乎没有什么可供分析的，但真正看了源码，发现自己还是有很多不懂的地方。下面是keySet的代码。

  public Set<K> keySet() {
    Set<K> ks = keySet;
    if (ks == null) {
      ks = new KeySet();
      keySet = ks;
    }
    return ks;
  }

从代码中了解到，第一次调用keySet方法时，keySet属性是null，然后进行了初始化，再将keySet属性返回。也就是说，HashMap里并不会随着put和remove的进行也维护一个keySet集合，而是在第一次调用keySet方法时，才给keySet属性初始化。

按照自己以往的理解，以为keySet返回的是一个集合，集合里面保存了HashMap的所有的Key。因为有了中先入为主的印象，所以读源码时，才感觉源码很奇怪。从源码中可以看到，初始化时，只是创建了一个KeySet类的对象，并没有把HashMap的key都加入进来，方法就返回了。除了自己以往的理解外，还有一个现象，让我坚信这时HashMap的key已经加入到keySet了，那就是在调试代码过程中IDE给出的调试信息。如下图。从图中可以看出，创建完成KeySet()后，调试信息就已经可以显示出，ks中有2个元素了。这个信息更加坚定了自己之前的理解。

那么，HashMap的key是什么时候加入到keySet集合中的呢？顺着这个思路，我进行了一步一步的分析。自己看了KeySet类的构造函数，发现只有默认构造函数。那么我想，如果没有在KeySet构造函数里把HashMap的key加入进来，那么就有可能是在KeySet的父类的构造函数中加入进来的。然后，自己找遍了KeySet类的父类的构造函数，发现都是空实现，并没有任何加入HashMap的key的操作。这到底是怎么回事呢？

其实HashMap的key并没有加入到keySet集合中，而是在遍历的时候，使用迭代器对key进行的遍历。这是结论。下面我们看一下原因和过程。

首先看一下KeySet类的代码，如下图。可以看到，KeySet类中的迭代器函数，返回的是一个KeyIterator类的对象。它的next方法返回的是HashIterator的nextNode的key。也就是说，当使用迭代器遍历set内的元素时，KeySet类的迭代器，会保证能够依次获取到HashMap的节点的key值，这就是我们遍历keySet的过程的实质。

  final class KeySet extends AbstractSet<K> {
    public final int size()         { return size; }
    public final void clear()        { HashMap.this.clear(); }
    public final Iterator<K> iterator()   { return new KeyIterator(); }
    public final boolean contains(Object o) { return containsKey(o); }
    public final boolean remove(Object key) {
      return removeNode(hash(key), key, null, false, true) != null;
    }
    public final Spliterator<K> spliterator() {
      return new KeySpliterator<>(HashMap.this, 0, -1, 0, 0);
    }
    public final void forEach(Consumer<? super K> action) {
      Node<K,V>[] tab;
      if (action == null)
        throw new NullPointerException();
      if (size > 0 && (tab = table) != null) {
        int mc = modCount;
        for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
          for (Node<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
            action.accept(e.key);
        }
        if (modCount != mc)
          throw new ConcurrentModificationException();
      }
    }
  }
  final class KeyIterator extends HashIterator
    implements Iterator<K> {
    public final K next() { return nextNode().key; }
  }
  abstract class HashIterator {
    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);
      }
    }
    public final boolean hasNext() {
      return next != null;
    }
    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;
    }
    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;
    }
  }

那么，这里我们可以思考这么一个问题。通过HashMap的keySet获取到keySet后，难道只能用迭代器遍历吗？keySet方法不把HashMap的key都加入到set中，那么调用者使用for(int i = 0; i < size; i ++)的方式遍历时，岂不是无法遍历set中的key了吗？是的，确实是的。keySet确实没有把key加入到set中，另外，它不用担心调用者用for(int i = 0; i < size; i ++)的方式遍历时获取不到key，因为set根本就没有set.get(i)这样类似的方法，要想遍历set，只能用迭代器，或者使用foreach方式（本质还是迭代器）。

这里还有个问题需要解释，就是在调试代码时，既然key没有加入到set中，那么IDE如何显示出set中有2个元素这样的信息的？原来，IDE显示对象信息时，会调用对象的toString方法。而集合的toString方法就是显示出集合中的元素个数。

这里再思考一步，如果我们在集合的toString方法加上断点，那么IDE显示对象信息时，会不先停下来？答案是看情况。记得早些年间使用eclipse调试代码时，在toString方法加上断点后，显示对象信息时确实会停下来。然而我现在使用的是IDE是idea，idea在这一点上做了优化。如果是IDE显示对象信息调用的toString方法，那么toString方法的断点会被跳过，即不生效，但会给出一条提示信息，如下图。如果程序员主动调用对象的toString方法，那么，toString方法的断点会生效，可以正常断点调试。

总结

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