HashMap实现原理分析

1. HashMap的数据结构

数据结构中有数组和链表来实现对数据的存储，但这两者基本上是两个极端。

数组

数组存储区间是连续的，占用内存严重，故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小，为O(1)；数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；

链表

链表存储区间离散，占用内存比较宽松，故空间复杂度很小，但时间复杂度很大，达O（N）。链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。

哈希表

那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表。哈希表（(Hash table）既满足了数据的查找方便，同时不占用太多的内容空间，使用也十分方便。

　　哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法——拉链法，我们可以理解为“链表的数组”，如图：

 

 

　　从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，一个长度为16的数组中，每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。

　　HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。

　　首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。

/**

*Thetable,resizedasnecessary.LengthMUSTAlwaysbeapoweroftwo.

*/

transientEntry[]table;

2. HashMap的存取实现

既然是线性数组，为什么能随机存取？这里HashMap用了一个小算法，大致是这样实现：

// 存储时:
inthash=key.hashCode();// 这个hashCode方法这里不详述,只要理解每个key的hash是一个固定的int值
intindex=hash%Entry[].length;
Entry[index]=value;

// 取值时:
inthash=key.hashCode();
intindex=hash%Entry[].length;
returnEntry[index];

 

1）put

 

疑问：如果两个key通过hash%Entry[].length得到的index相同，会不会有覆盖的危险？

　　这里HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

publicVput(Kkey,Vvalue){

if(key==null)

returnputForNullKey(value);//null总是放在数组的第一个链表中

inthash=hash(key.hashCode());

inti=indexFor(hash,table.length);

//遍历链表

for(Entry<K,V>e=table[i];e!=null;e=e.next){

Objectk;

//如果key在链表中已存在，则替换为新value

if(e.hash==hash&&((k=e.key)==key||key.equals(k))){

VoldValue=e.value;

e.value=value;

e.recordAccess(this);

returnoldValue;

}

}

 

modCount++;

addEntry(hash,key,value,i);

returnnull;

}

 

voidaddEntry(inthash,Kkey,Vvalue,intbucketIndex){

Entry<K,V>e=table[bucketIndex];

table[bucketIndex]=newEntry<K,V>(hash,key,value,e);//参数e, 是Entry.next

//如果size超过threshold，则扩充table大小。再散列

if(size++>=threshold)

resize(2*table.length);

}

　　当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现，这里也说一下。比如：Entry[]的长度一定后，随着map里面数据的越来越长，这样同一个index的链就会很长，会不会影响性能？HashMap里面设置一个因子，随着map的size越来越大，Entry[]会以一定的规则加长长度。

2）get

publicVget(Objectkey){

if(key==null)

returngetForNullKey();

inthash=hash(key.hashCode());

//先定位到数组元素，再遍历该元素处的链表

for(Entry<K,V>e=table[indexFor(hash,table.length)];

e!=null;

e=e.next){

Objectk;

if(e.hash==hash&&((k=e.key)==key||key.equals(k)))

returne.value;

}

returnnull;

}

 

3）null key的存取

null key总是存放在Entry[]数组的第一个元素。

privateVputForNullKey(Vvalue){

for(Entry<K,V>e=table[0];e!=null;e=e.next){

if(e.key==null){

VoldValue=e.value;

e.value=value;

e.recordAccess(this);

returnoldValue;

}

}

modCount++;

addEntry(0,null,value,0);

returnnull;

}

 

privateVgetForNullKey(){

for(Entry<K,V>e=table[0];e!=null;e=e.next){

if(e.key==null)

returne.value;

}

returnnull;

}

 

 

 

 

4）确定数组index：hashcode % table.length取模

HashMap存取时，都需要计算当前key应该对应Entry[]数组哪个元素，即计算数组下标；算法如下：

/**

*Returnsindexforhashcodeh.

*/

staticintindexFor(inth,intlength){

returnh&(length-1);

}

 

按位取并，作用上相当于取模mod或者取余%。

这意味着数组下标相同，并不表示hashCode相同。

 

5）table初始大小

 

publicHashMap(intinitialCapacity,floatloadFactor){

.....

 

//Findapowerof2>=initialCapacity

intcapacity=1;

while(capacity<initialCapacity)

capacity<<=1;

 

this.loadFactor=loadFactor;

threshold=(int)(capacity*loadFactor);

table=newEntry[capacity];

init();

}

 

注意table初始大小并不是构造函数中的initialCapacity！！

而是 >= initialCapacity的2的n次幂！！！！

————为什么这么设计呢？——

3. 解决hash冲突的办法

1. 开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）
2. 再哈希法
3. 链地址法
4. 建立一个公共溢出区

Java中hashmap的解决办法就是采用的链地址法。

 

4.再散列rehash过程

当哈希表的容量超过默认容量时，必须调整table的大小。当容量已经达到最大可能值时，那么该方法就将容量调整到Integer.MAX_VALUE返回，这时，需要创建一张新表，将原表的映射到新表中。

/**

*Rehashesthecontentsofthismapintoanewarraywitha

*largercapacity.Thismethodiscalledautomaticallywhenthe

*numberofkeysinthismapreachesitsthreshold.

*

*IfcurrentcapacityisMAXIMUM_CAPACITY,thismethoddoesnot

*resizethemap,butsetsthresholdtoInteger.MAX_VALUE.

*Thishastheeffectofpreventingfuturecalls.

*

*@paramnewCapacitythenewcapacity,MUSTbeapoweroftwo;

*mustbegreaterthancurrentcapacityunlesscurrent

*capacityisMAXIMUM_CAPACITY(inwhichcasevalue

*isirrelevant).

*/

voidresize(intnewCapacity){

Entry[]oldTable=table;

intoldCapacity=oldTable.length;

if(oldCapacity==MAXIMUM_CAPACITY){

threshold=Integer.MAX_VALUE;

return;

}

 

Entry[]newTable=newEntry[newCapacity];

transfer(newTable);

table=newTable;

threshold=(int)(newCapacity*loadFactor);

}

 

/**

*TransfersallentriesfromcurrenttabletonewTable.

*/

voidtransfer(Entry[]newTable){

Entry[]src=table;

intnewCapacity=newTable.length;

for(intj=0;j<src.length;j++){

Entry<K,V>e=src[j];

if(e!=null){

src[j]=null;

do{

Entry<K,V>next=e.next;

//重新计算index

inti=indexFor(e.hash,newCapacity);

e.next=newTable[i];

newTable[i]=e;

e=next;

}while(e!=null);

}

}

}

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