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yangzhizhen
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理解HashMap结构,从分析源码开始

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Hash简介

由于Hash结构继承了数组的高效查询和修改的特性,又继承了链表的高效的增删特性,使得其在查找和存储方面具有其他结构无法比拟的高效性,关于Hash算法的研究也从未中断。笔者主要就Java中封装的HashMap的具体实现过程来简单介绍一下HashMap

         说简单点,Hash结构(其实,准确的说,Hash应该是一种思想)就是通过为每一个对象分配多级索引来进行存储和处理数据的,而这些索引是通过一种叫做Hash的算法针对每个对象来生成的,对象根据产生的索引以数组或链表的形式来进行存储。常见的Hash算法有移位和取模等几种形式

HashMap源码分析

Map接口分析

Map接口中有两个很重要的东西,一个是Map接口本身,它里面声明了一些我们要在HashMap中实现的方法;另一个则是Entry接口,它是我们在HashMap中要存放的数据对象,在这个接口里面声明了一些该对象的方法

package java.util;

public interface Map<K,V> {
     //此方法返回的是Map中Key-Value值的个数
   int size();
    //此方法用于判断Map中是否存在Key-Value值,如果存在,返回false,//否则返回//true
    boolean isEmpty();
    //此方法用于判断Map中是否包含Key = key的对象,存在返回true,不存在返回//false
    boolean containsKey(Object key);
    //此方法用于判断Map中是否存在Value = value的对象,存在返回true,不存在返//回false
    boolean containsValue(Object value);
    //向Map添加对象的方法,传入Key和Value的方法
   V put(K key, V value);
    //移除Map中Key = key的对象
   V remove (Object key);
    //将Map对象m中的所有值复制到新的Map中
   void put All(Map<? extends K, ? extends V> m);
    //移除Map中的所有对象
   void clear ();
    //获取Map所有的Key值,并将所有的Key值放入Set中的方法,返回的是存放Key值的//Set集合
   Set<K> keySet ();
   //返回Map中所有Value值,并将其存入Collection集合中
  Collection<V> values();
   //返回所有Map值,并将其存入Set集合中
  Set<Map.Entry<K, V>> entrySet ();

 //Map接口中定义的Entry内部接口,Entry是Map主存放的对象
 interface Entry<K,V> {
      //返回Entry对象的Key值
    K getKey();
     //返回Entry对象的Value值
    V getValue();
      //替换Entry对象的Value值
     V setValue(V value);
       //比较Entry对象是否相等的方法
     boolean equals(Object o);
       //获取Entry对象哈希吗的方法
     int hashCode();
  }
  //比较Map对象是否相等的方法
 boolean equals(Object o);
 //获取Map对象哈希吗的方法
 int hashCode();

HashMap具体实现

package java.util;
import java.io.*;

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{
     //HashMap的默认容量
   static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    //HashMap的最大容量
   static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    //HashMap的默认装载因子
   static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    //存放Entry的数组
   transient Entry[] table;
    //Map中Key-Value值个数
   transient int size;
    //数组扩容时Key-Value要达到的容量大小:capacity * load factor
    int threshold;
    //装载因子
   final float loadFactor;
    //HashMap重构的次数
   transient int modCount;
    //构造器1,传入两个参数,依次为容量和装载因子
  public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
       //如果容量小于0,就抛出非法初始化异常
     if (initialCapacity < 0)
             throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity);
       //如果容量大于最大容量,就将最大容量赋给当前容量,也就是不能超出最大容量
     if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
             initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
       //如果装载因子不大于0,就抛出装载因子异常
     if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor);
       //容量初始化为1
        int capacity = 1;
      //当容量小于传入的参数容量时,容量数不停左移,直至容量大于传入的参数容量,这样做容量便以2的幂递增,便于控制
    while (capacity < initialCapacity)
            capacity <<= 1;
       //装载因子传入
     this.loadFactor = loadFactor;
       //数组扩容时Key-Value要达到的容量大小
     threshold = (int)(capacity * loadFactor);
       //创建指定容量大小的对象数组
     table = new Entry[capacity];
        init();
   }
   //构造器2,只需传入容量大小,装载因此默认为0.75
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }
    //构造器3,容量和装载因子均采取默认值
   public HashMap(){
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
        //数组扩容时Key-Value要达到的容量大小
     threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * 							DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        //创建默认容量大小的对象数组
     table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        init();
    }
     //构造器4,传入Map对象
   public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1, DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        putAllForCreate(m);
   }
    //初始化的方法,里面没有做任何操作
   void init() {
    }
    //hash函数,HashMap中的核心,此方法采用移位和异或操作来实现,由于计算机最终处理数据的方式是逻辑运算,这里直接采用逻辑运算进行hash运算,速度较快
   static int hash(int h) {
           h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
           return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
   }
   //Key经过hash后,再调用此方法,根据数组长度,产生Key-Value值对在数组中的位    	//置
  static int indexFor(int hash, int length) {
          return h & (length-1);
   }
   //返回Map中Key-Value对的数目
      public int size() {
         return size;
   }
   //判断Map里面是否有Key-Value对,如果没有返回true
   public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
   }
   //根据Key值,返回对应的Value值
  public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        //对Key的哈希吗进行hash运算
     int hash = hash(key.hashCode());
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
                return e.value;
        }
        return null;
    }
    //返回Key = null的Value的值
   private V getForNullKey() {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next){
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }
    //判断是否存在Key值
  public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
   }
   //获取Key对应的Key-Value值对,即Entry对象
  final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
   }
   //向Map中添加Key-Value值对
  public V put(K key, V value) {
       if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next){
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }
    //向Map中放入元素,其中Key为Null
    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next){
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
   }
   //创建已有Key – Value值对的方法,相当于将原Map中Key-Value值的Key-Value值一对一对复制到新的Map中的方法
  private void putForCreate(K key, V value) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next){
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                e.value = value;
                return;
            }
        }
        createEntry(hash, key, value, i);
   }
   //将原Map中所有Key-Value对象全部放入新Map中的方法
  private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
            putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
   }
   //数组扩容的方法
  void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
        transfer(newTable);
        table = newTable;
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
   }
   //将table中的元素放入新table
   void transfer(Entry[] newTable) {
        Entry[] src = table;
        int newCapacity = newTable.length;
        for (int j = 0; j < src.length; j++) {
            Entry<K,V> e = src[j];
            if (e != null) {
                src[j] = null;
                do {
                    Entry<K,V> next = e.next;
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
   }
   //添加所有的Map对象
  public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        int numKeysToBeAdded = m.size();
        if (numKeysToBeAdded == 0)
            return;
        if (numKeysToBeAdded > threshold) {
            int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
            if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
                targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
            int newCapacity = table.length;
            while (newCapacity < targetCapacity)
                newCapacity <<= 1;
            if (newCapacity > table.length)
                resize(newCapacity);
        }
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
            put(e.getKey(), e.getValue());
  }
  //移除Map中Key对应的值
 public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
   }
   final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;
        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }
        return e;
   }
   //移除整个Map对象
  final Entry<K,V> removeMapping(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return null;
        Map.Entry<K,V> entry = (Map.Entry<K,V>) o;
        Object key = entry.getKey();
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;
        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (e.hash == hash && e.equals(entry)) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }
        return e;
   }
   //清空所有内容
  public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
   }
  //判断Map是否包含value值
  public boolean containsValue(Object value) {
        if (value == null)
            return containsNullValue();
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
        return false;
    }
    private boolean containsNullValue() {
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (e.value == null)
                    return true;
        return false;
   }
   //复写的Object类的clone()方法
  public Object clone() {
        HashMap<K,V> result = null;
        try {
            result = (HashMap<K,V>)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // assert false;
        }
        result.table = new Entry[table.length];
        result.entrySet = null;
        result.modCount = 0;
        result.size = 0;
        result.init();
        result.putAllForCreate(this);
        return result;
   }

   //内部静态类Entry
   static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;
        V value;
	//下一节点
        Entry<K,V> next;
        final int hash;
	//构造器,传入四个参数
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        }
        public final K getKey() {
            return key;
        }
        public final V getValue() {
            return value;
        }
        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }
       //复写的Object类的equals方法
     public final boolean equals(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry e = (Map.Entry)o;
            Object k1 = getKey();
            Object k2 = e.getKey();
            if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
                Object v1 = getValue();
                Object v2 = e.getValue();
                if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                    return true;
            }
            return false;
        }
       //复写的Object类的hashCode()方法
     public final int hashCode() {
            return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());
        }
        public final String toString() {
            return getKey() + "=" + getValue();
        }
        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
        }
        void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
        }
   }
   //添加Entry实体,即Key-Value值的方法
  void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex){
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
   }
   //创建Entry实体的方法
  void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex{
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }
    private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        Entry<K,V> next; 
        int expectedModCount;  
        int index; 
        Entry<K,V> current; 
        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            if (size > 0) { 
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
            }
        }
       //判断下一个是否为空
     public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }
       //返回下一个Entry对象
     final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Entry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            if ((next = e.next) == null) {
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            current = e;
            return e;
        }
        public void remove() {
            if (current == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Object k = current.key;
            current = null;
            HashMap.this.removeEntryForKey(k);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }
    private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
        public V next() {
            return nextEntry().value;
        }
    }
    private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
        public K next() {
            return nextEntry().getKey();
        }
    }
    private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
        public Map.Entry<K,V> next() {
            return nextEntry();
        }
    }
    Iterator<K> newKeyIterator()   {
        return new KeyIterator();
    }
    Iterator<V> newValueIterator()   {
        return new ValueIterator();
    }
    Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
        return new EntryIterator();
    }
    private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;
    public Set<K> keySet() {
        Set<K> ks = keySet;
        return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
    }
    private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
        public Iterator<K> iterator() {
            return newKeyIterator();
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public boolean contains(Object o) {
            return containsKey(o);
        }
        public boolean remove(Object o) {
            return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
        }
       //清空HashMap    
        public void clear() {
            HashMap.this.clear();
        }
    }
    public Collection<V> values() {
        Collection<V> vs = values;
        return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
    }
    private final class Values extends AbstractCollection<V>{
        public Iterator<V> iterator() {
            return newValueIterator();
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public boolean contains(Object o) {
            return containsValue(o);
        }
        public void clear() {
            HashMap.this.clear();
        }
   }
  //返回存在Entry实体的Set集合
 public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        return entrySet0();
  }
  private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
        Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
        return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
  }
  private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
        public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
            return newEntryIterator();
        }
        public boolean contains(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
            Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
            return candidate != null && candidate.equals(e);
        }
        public boolean remove(Object o) {
            return removeMapping(o) != null;
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public void clear() {
            HashMap.this.clear();
        }
    }

 
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)  throws IOException
    {
        Iterator<Map.Entry<K,V>> i =
            (size > 0) ? entrySet0().iterator() : null;
        s.defaultWriteObject();
        s.writeInt(table.length);
        s.writeInt(size);
        if (i != null) {
            while (i.hasNext()) {
                Map.Entry<K,V> e = i.next();
                s.writeObject(e.getKey());
                s.writeObject(e.getValue());
            }
        }
    }

    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)  throws IOException, ClassNotFoundException
    {
        s.defaultReadObject();
        int numBuckets = s.readInt();
        table = new Entry[numBuckets];
        init();  
        int size = s.readInt();
                for (int i=0; i<size; i++) {
            K key = (K) s.readObject();
            V value = (V) s.readObject();
            putForCreate(key, value);
        }
    }
       int   capacity()     { return table.length; }
    float loadFactor()   { return loadFactor;   }
}

总结

Java中的HashMap对于对象的索引进行了复杂的处理,首先是获取对象的哈希吗(即调用hashCode()方法,每个对象都会有一个对应的哈希吗,相当于编号),然后再通过hash算法的逻辑运算对对象的索引再次做了处理。通过这么一些运算,最终的目的就是为了尽量使对象的存储分布均匀。

 

 

 

 

 

 

 

 

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