java 中HashMap實現原理深入理解
1. HashMap的數據結構
數據結構中有數組和鏈表來實現對數據的存儲，但這兩者基本上是兩個極端。
數組
數組存儲區(qū)間是連續(xù)的，占用內存嚴重，故空間復雜的很大。但數組的二分查找時間復雜度小，為O(1)；數組的特點是：尋址容易，插入和刪除困難；
鏈表
鏈表存儲區(qū)間離散，占用內存比較寬松，故空間復雜度很小，但時間復雜度很大，達O（N）。鏈表的特點是：尋址困難，插入和刪除容易。
哈希表
那么我們能不能綜合兩者的特性，做出一種尋址容易，插入刪除也容易的數據結構？答案是肯定的，這就是我們要提起的哈希表。哈希表（(Hash table）既滿足了數據的查找方便，同時不占用太多的內容空間，使用也十分方便。
哈希表有多種不同的實現方法，我接下來解釋的是最常用的一種方法—— 拉鏈法，我們可以理解為“鏈表的數組” ，如圖：
從上圖我們可以發(fā)現哈希表是由數組+鏈表組成的，一個長度為16的數組中，每個元素存儲的是一個鏈表的頭結點。那么這些元素是按照什么樣的規(guī)則存儲到數組中呢。一般情況是通過hash(key)%len獲得，也就是元素的key的哈希值對數組長度取模得到。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都存儲在數組下標為12的位置。
HashMap其實也是一個線性的數組實現的,所以可以理解為其存儲數據的容器就是一個線性數組。這可能讓我們很不解，一個線性的數組怎么實現按鍵值對來存取數據呢？這里HashMap有做一些處理。
首先HashMap里面實現一個靜態(tài)內部類Entry，其重要的屬性有key , value, next，從屬性key,value我們就能很明顯的看出來Entry就是HashMap鍵值對實現的一個基礎bean，我們上面說到HashMap的基礎就是一個線性數組，這個數組就是Entry[]，Map里面的內容都保存在Entry[]里面。
/** * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. */ transient Entry[] table;
2. HashMap的存取實現
既然是線性數組，為什么能隨機存?。窟@里HashMap用了一個小算法，大致是這樣實現：
// 存儲時: int hash = key.hashCode(); // 這個hashCode方法這里不詳述,只要理解每個key的hash是一個固定的int值 int index = hash % Entry[].length; Entry[index] = value; // 取值時: int hash = key.hashCode(); int index = hash % Entry[].length; return Entry[index];
1）put
疑問：如果兩個key通過hash%Entry[].length得到的index相同，會不會有覆蓋的危險？
這里HashMap里面用到鏈式數據結構的一個概念。上面我們提到過Entry類里面有一個next屬性，作用是指向下一個Entry。打個比方， 第一個鍵值對A進來，通過計算其key的hash得到的index=0，記做:Entry[0] = A。一會后又進來一個鍵值對B，通過計算其index也等于0，現在怎么辦？HashMap會這樣做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又進來C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；這樣我們發(fā)現index=0的地方其實存取了A,B,C三個鍵值對,他們通過next這個屬性鏈接在一起。所以疑問不用擔心。也就是說數組中存儲的是最后插入的元素。到這里為止，HashMap的大致實現，我們應該已經清楚了。
public V put(K key, V value) {
if (key == null)
return putForNullKey(value); //null總是放在數組的第一個鏈表中
int hash = hash(key.hashCode());
int i = indexFor(hash, table.length);
//遍歷鏈表
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果key在鏈表中已存在，則替換為新value
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;
}
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);//參數e, 是Entry.next
//如果size超過threshold，則擴充table大小。再散列
if (size++ >= threshold)
resize(2 * table.length);
}
當然HashMap里面也包含一些優(yōu)化方面的實現，這里也說一下。比如：Entry[]的長度一定后，隨著map里面數據的越來越長，這樣同一個index的鏈就會很長，會不會影響性能？HashMap里面設置一個因子，隨著map的size越來越大，Entry[]會以一定的規(guī)則加長長度。
2）get
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
int hash = hash(key.hashCode());
//先定位到數組元素，再遍歷該元素處的鏈表
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;
}
3）null key的存取
null key總是存放在Entry[]數組的第一個元素。
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;
}
private V getForNullKey() {
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}
4）確定數組index：hashcode % table.length取模
HashMap存取時，都需要計算當前key應該對應Entry[]數組哪個元素，即計算數組下標；算法如下：
/**
* Returns index for hash code h.
*/
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}
按位取并，作用上相當于取模mod或者取余%。
這意味著數組下標相同，并不表示hashCode相同。
5）table初始大小
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
.....
// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)(capacity * loadFactor);
table = new Entry[capacity];
init();
}
注意table初始大小并不是構造函數中的initialCapacity?。?/strong>
而是 >= initialCapacity的2的n次冪?。。?！
————為什么這么設計呢？——
3. 解決hash沖突的辦法開放定址法（線性探測再散列，二次探測再散列，偽隨機探測再散列） 再哈希法 鏈地址法 建立一個公共溢出區(qū)
Java中hashmap的解決辦法就是采用的鏈地址法。
4. 再散列rehash過程
當哈希表的容量超過默認容量時，必須調整table的大小。當容量已經達到最大可能值時，那么該方法就將容量調整到Integer.MAX_VALUE返回，這時，需要創(chuàng)建一張新表，將原表的映射到新表中。
/**
* Rehashes the contents of this map into a new array with a
* larger capacity. This method is called automatically when the
* number of keys in this map reaches its threshold.
*
* If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not
* resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.
* This has the effect of preventing future calls.
*
* @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;
* must be greater than current capacity unless current
* capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value
* is irrelevant).
*/
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);
}
/**
* Transfers all entries from current table to newTable.
*/
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;
//重新計算index
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
} while (e != null);
}
}
}
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