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HashMap的实现原理

 
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转:http://www.iteye.com/topic/539465

Hashmap是一种非常常用的、应用广泛的数据类型,最近研究到相关的内容,就正好复习一下。网上关于hashmap的文章很多,但到底是自己学习的总结,就发出来跟大家一起分享,一起讨论。 

1、hashmap的数据结构 
要知道hashmap是什么,首先要搞清楚它的数据结构,在java编程语言中,最基本的结构就是两种,一个是数组,另外一个是模拟指针(引用),所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的,hashmap也不例外。Hashmap实际上是一个数组和链表的结合体(在数据结构中,一般称之为“链表散列“),请看下图(横排表示数组
(相当于一个桶),纵排表示数组元素【实际上是一个链表】)。 


 

从图中我们可以看到一个hashmap就是一个数组结构,当新建一个hashmap的时候,就会初始化一个数组(备:Entry数组)。我们来看看java代码: 

Java代码  收藏代码
  1. /** 
  2.      * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. 
  3.      *  FIXME 这里需要注意这句话,至于原因后面会讲到 
  4.      */  
  5.     transient Entry[] table;  

 

Java代码  收藏代码
  1. static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
  2.         final K key;  
  3.         V value;  
  4.         final int hash;  
  5.         Entry<K,V> next;  
  6. ..........  
  7. }  



        上面的Entry就是数组中的元素,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表。 
         当我们往hashmap中put元素的时候,先根据key的hash值(
见HashMap的final int hash(Object k)方法,其中涉及到对元素的hashCode方法调用)计算得到这个元素在数组中的位置(即下标,HashMap的static int indexFor(int h, int length)方法),然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。如果这个元素所在的位子上已经存放有其他元素了,那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,最先加入的放在链尾。从hashmap中get元素时,首先计算
key的hash值(见HashMap的final int hash(Object k)方法,其中涉及到对元素的hashCode方法调用),计算得到这个元素在数组中的位置(即下标,HashMap的static int indexFor(int h, int length)方法,然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。从这里我们可以想象得到,如果每个位置上的链表只有一个元素,那么hashmap的get效率将是最高的,但是理想总是美好的,现实总是有困难需要我们去克服,哈哈~ 


2、hash算法 
我们可以看到在hashmap中要找到某个元素,需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过hashmap的数据结构是数组和链表的结合,所以我们当然希望这个hashmap里面的元素位置尽量的分布均匀些,尽量使得每个位置上的元素数量只有一个,那么当我们用hash算法求得这个位置的时候,马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的,而不用再去遍历链表。 

所以我们首先想到的就是把hashcode对数组长度取模运算,这样一来,元素的分布相对来说是比较均匀的(备注:要想将元素均匀的分布在某些列表(比如桶、数组)中,最简单的办法就是将这个元素的hashcode(object的hashcode()方法)对列表长度取模,取模结果值就是列表的序号(从0开始),代表了存放列表的位置,这是均匀的)。但是,“模”运算的消耗还是比较大的,能不能找一种更快速,消耗更小的方式那?java中时这样做的
 

Java代码  收藏代码
  1. static int indexFor(int h, int length) {  
  2.        return h & (length-1);  
  3.    }  



首先算得key的hash值
(见HashMap的final int hash(Object k)方法,其中涉及到对元素的hashCode方法调用),然后跟数组的长度-1做一次“与”运算(&)。看上去很简单,其实比较有玄机。比如数组的长度是2的4次方,那么hashcode就会和2的4次方-1做“与”运算。很多人都有这个疑问,为什么hashmap的数组初始化大小都是2的次方大小时,hashmap的效率最高,我以2的4次方举例,来解释一下为什么数组大小为2的幂时hashmap访问的性能最高。 


         看下图,左边两组是数组长度为16(2的4次方),右边两组是数组长度为15。两组元素的hashcode均为8和9,但是很明显,当它们和1110(数组长度为15)“与”的时候,产生了相同的结果(都是1000),也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去,这就产生了碰撞,8和9会被放到同一个链表上,那么查询的时候就需要遍历这个链表,得到8或者9,这样就降低了查询的效率。同时,我们也可以发现,当数组长度为15的时候,hashcode的值会与14(1110)进行“与”,那么最后一位永远是0,而0001,0011,0101,1001,1011,0111,1101这几个位置永远都不能存放元素了,空间浪费相当大,更糟的是这种情况中,数组可以使用的位置比数组长度小了很多,这意味着进一步增加了碰撞的几率,减慢了查询的效率!
 

 


          所以说,当数组长度为2的n次幂的时候,不同的key算得的index相同的几率较小,那么数据在数组上分布就比较均匀,也就是说碰撞的几率小,相对的,查询的时候就不用遍历某个位置上的链表,这样查询效率也就较高了。 
          说到这里,我们再回头看一下hashmap中默认的数组大小是多少,查看源代码可以得知是16,为什么是16,而不是15,也不是20呢,看到上面annegu的解释之后我们就清楚了吧,显然是因为16是2的整数次幂的原因,在小数据量的情况下16比15和20更能减少key之间的碰撞,而加快查询的效率。 

所以,在存储大容量数据的时候,最好预先指定hashmap的size为2的整数次幂次方。就算指定的不是2的整数幂次方的话,HashMap自己也会以大于且最接近指定值大小的2次幂来初始化的,代码如下(HashMap的构造方法中,备注:
capacity代表了数组的大小) 

Java代码  收藏代码
  1. // Find a power of 2 >= initialCapacity  
  2.         int capacity = 1;  
  3.         while (capacity < initialCapacity)   
  4.             capacity <<= 1;  

我们再来回过头看看为什么要采用h & length -1以及length是2的n次方这两种结合的方式,因为当length=2^n时,hashcode & (length-1) == hashcode % length!即两者组合起来使用,得到了前面说的通过元素hashcode对数组长度取模达到均匀分布的效果,但是性能比取模高(备:我粗略测试%的耗时为&的2倍),真是非常的精彩!

 

3、hashmap的resize 

       当hashmap中的元素越来越多的时候,碰撞的几率也就越来越高(因为数组的长度是固定的),所以为了提高查询的效率,就要对hashmap的数组进行扩容,数组扩容这个操作也会出现在ArrayList中,所以这是一个通用的操作,很多人对它的性能表示过怀疑,不过想想我们的“均摊”原理,就释然了,而在hashmap数组扩容之后,最消耗性能的点就出现了:原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去,这就是resize。 

         那么hashmap什么时候进行扩容呢?当hashmap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时,就会进行数组扩容,loadFactor的默认值为0.75,也就是说,默认情况下,数组大小为16,那么当hashmap中元素个数超过16*0.75=12的时候,就把数组的大小扩展为2*16=32,即扩大一倍,然后重新计算每个元素在数组中的位置,而这是一个非常消耗性能的操作,所以如果我们已经预知hashmap中元素的个数,那么预设元素的个数能够有效的提高hashmap的性能。比如说,我们有1000个元素new HashMap(1000), 但是理论上来讲new HashMap(1024)更合适,不过上面annegu已经说过,即使是1000,hashmap也自动会将其设置为1024。 但是new HashMap(1024)还不是更合适的,因为0.75*1000 < 1000, 也就是说为了让0.75 * capacity (数组大小) > 1000(实际元素个数),那么必须要
capacity >1000/0.75=1334:new HashMap(1000*4/3),1334不是2的n次方,所以HashMap的构造函数中会通过&计算到2048,因此如果我们 明确知道或预估到HashMap中元素的大小,那么最佳实践是new HashMap(size*4/3),这样避免了resize的问题。 

4、key的hashcode与equals方法改写 
在第一部分hashmap的数据结构中,annegu就写了get方法的过程:首先计算key的hashcode(见HashMap的final int hash(Object k)方法,其中涉及到对元素的hashCode方法调用),找到数组中的对应位置(见
HashMap的static int indexFor(int h, int length)方法,上文也有贴代码),然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素(实际稍复杂,见HashMap的final Entry<K,V> getEntry(Object key)方法)。所以,hashcode与equals方法对于找到对应元素是两个关键方法。 


Hashmap的key可以是任何类型的对象,例如User这种对象,为了保证两个具有相同属性的user的hashcode相同,我们就需要改写hashcode方法,比方把hashcode值的计算与User对象的id关联起来,那么只要user对象拥有相同id,那么他们的hashcode也能保持一致了,这样就可以找到在hashmap数组中的位置了。如果这个位置上有多个元素,还需要用key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素,所以只改写了hashcode方法是不够的,equals方法也是需要改写滴~当然啦,按正常思维逻辑,equals方法一般都会根据实际的业务内容来定义,例如根据user对象的id来判断两个user是否相等。 
在改写equals方法的时候,需要满足以下三点: 
(1) 自反性:就是说a.equals(a)必须为true。 
(2) 对称性:就是说a.equals(b)=true的话,b.equals(a)也必须为true。 
(3) 传递性:就是说a.equals(b)=true,并且b.equals(c)=true的话,a.equals(c)也必须为true。 
通过改写key对象的equals和hashcode方法,我们可以将任意的业务对象作为map的key(前提是你确实有这样的需要)。
 

总结: 
        本文主要描述了HashMap的结构,和hashmap中hash函数的实现,以及该实现的特性,同时描述了hashmap中resize带来性能消耗的根本原因,以及将普通的域模型对象作为key的基本要求。尤其是hash函数的实现,可以说是整个HashMap的精髓所在,只有真正理解了这个hash函数,才可以说对HashMap有了一定的理解。
 
 

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