HashMap 的实现原理

HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序

HashMap 是基于哈希表的 Map 接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用 null 值和 null 键。此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变。

此实现假定哈希函数将元素适当地分布在各桶之间,可为基本操作(get 和 put)提供稳定的性能。迭代 collection 视图所需的时间与 HashMap 实例的“容量”(桶的数量)及其大小(键-值映射关系数)成比例。所以,如果迭代性能很重要,则不要将初始容量设置得太高或将加载因子设置得太低。也许大家开始对这段话有一点不太懂,不过不用担心,当你读完这篇文章后,就能深切理解这其中的含义了。

需要注意的是:Hashmap 不是同步的,如果多个线程同时访问一个 HashMap,而其中至少一个线程从结构上(指添加或者删除一个或多个映射关系的任何操作)修改了,则必须保持外部同步,以防止对映射进行意外的非同步访问。

HashMap 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,另外一个是指针(引用),HashMap 就是通过这两个数据结构进行实现。HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构,即数组和链表的结合体。

HashMap 的实现原理

从上图中可以看出,HashMap 底层就是一个数组结构,数组中的每一项又是一个链表。当新建一个 HashMap 的时候,就会初始化一个数组。

我们通过 JDK 中的 HashMap 源码进行一些学习,首先看一下构造函数:

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);

// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;

this.loadFactor = loadFactor;
threshold = (int)Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
(capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
init();
}

我们着重看一下第 18 行代码table = new Entry[capacity];。这不就是 Java 中数组的创建方式吗?也就是说在构造函数中,其创建了一个 Entry 的数组,其大小为 capacity(目前我们还不需要太了解该变量含义),那么 Entry 又是什么结构呢?看一下源码:

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
……
}

我们目前还是只着重核心的部分,Entry 是一个 static class,其中包含了 key 和 value,也就是键值对,另外还包含了一个 next 的 Entry 指针。我们可以总结出:Entry 就是数组中的元素,每个 Entry 其实就是一个 key-value 对,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表。

HashMap 的核心方法解读

/**
* Associates the specified value with the specified key in this map.
* If the map previously contained a mapping for the key, the old
* value is replaced.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
* (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
* previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
*/

public V put(K key, V value) {
//其允许存放null的key和null的value,当其key为null时,调用putForNullKey方法,放入到table[0]的这个位置
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//通过调用hash方法对key进行哈希,得到哈希之后的数值。该方法实现可以通过看源码,其目的是为了尽可能的让键值对可以分不到不同的桶中
int hash = hash(key);
//根据上一步骤中求出的hash得到在数组中是索引i
int i = indexFor(hash, table.length);
//如果i处的Entry不为null,则通过其next指针不断遍历e元素的下一个元素。
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;
}

我们看一下方法的标准注释:在注释中首先提到了,当我们 put 的时候,如果 key 存在了,那么新的 value 会代替旧的 value,并且如果 key 存在的情况下,该方法返回的是旧的 value,如果 key 不存在,那么返回 null。

从上面的源代码中可以看出:当我们往 HashMap 中 put 元素的时候,先根据 key 的 hashCode 重新计算 hash 值,根据 hash 值得到这个元素在数组中的位置(即下标),如果数组该位置上已经存放有其他元素了,那么在这个位置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。如果数组该位置上没有元素,就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

addEntry(hash, key, value, i)方法根据计算出的 hash 值,将 key-value 对放在数组 table 的 i 索引处。addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法,代码如下:

/**
* Adds a new entry with the specified key, value and hash code to
* the specified bucket. It is the responsibility of this
* method to resize the table if appropriate.
*
* Subclass overrides this to alter the behavior of put method.
*/

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}

createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
// 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
// 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处,并让新的 Entry 指向原来的 Entr
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}

当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时,完全没有考虑 Entry 中的 value,仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属,当系统决定了 key 的存储位置之后,value 随之保存在那里即可。

hash(int h)方法根据 key 的 hashCode 重新计算一次散列。此算法加入了高位计算,防止低位不变,高位变化时,造成的 hash 冲突。

final int hash(Object k) {
int h = 0;
if (useAltHashing) {
if (k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h = hashSeed;
}
//得到k的hashcode值
h ^= k.hashCode();
//进行计算
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

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,这样就大大优化了查询的效率。

对于任意给定的对象,只要它的 hashCode() 返回值相同,那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 hash 码值总是相同的。我们首先想到的就是把 hash 值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。但是,“模”运算的消耗还是比较大的,在 HashMap 中是这样做的:调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下:

/**
* Returns index for hash code h.
*/

static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}

这个方法非常巧妙,它通过 h & (table.length -1) 来得到该对象的保存位,而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方,这是 HashMap 在速度上的优化。在 HashMap 构造器中有如下代码:

// Find a power of 2 >= initialCapacity
int capacity = 1;
while (capacity < initialCapacity)
capacity <<= 1;

这段代码保证初始化时 HashMap 的容量总是 2 的 n 次方,即底层数组的长度总是为 2 的 n 次方。

当 length 总是 2 的 n 次方时,h& (length-1)运算等价于对 length 取模,也就是 h%length,但是 & 比 % 具有更高的效率。这看上去很简单,其实比较有玄机的,我们举个例子来说明:

假设数组长度分别为 15 和 16,优化后的 hash 码分别为 8 和 9,那么 & 运算后的结果如下:

HashMap 的实现原理

从上面的例子中可以看出:当它们和 15-1(1110)“与”的时候,产生了相同的结果,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 会被放到数组中的同一个位置上形成链表,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,hash 值会与 15-1(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!而当数组长度为16时,即为2的n次方时,2n-1 得到的二进制数的每个位上的值都为 1,这使得在低位上&时,得到的和原 hash 的低位相同,加之 hash(int h)方法对 key 的 hashCode 的进一步优化,加入了高位计算,就使得只有相同的 hash 值的两个值才会被放到数组中的同一个位置上形成链表。

所以说,当数组长度为 2 的 n 次幂的时候,不同的 key 算得得 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。

根据上面 put 方法的源代码可以看出,当程序试图将一个key-value对放入HashMap中时,程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置:如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同,那它们的存储位置相同。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true,新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value,但key不会覆盖。如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false,新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链,而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。

读取

/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
* key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
* it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
* indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
* possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
* The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
* distinguish these two cases.
*
* @see #put(Object, Object)
*/

public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);

return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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;
}

有了上面存储时的 hash 算法作为基础,理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出:从 HashMap 中 get 元素时,首先计算 key 的 hashCode,找到数组中对应位置的某一元素,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。

归纳

简单地说,HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理,这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对,当需要存储一个 Entry 对象时,会根据 hash 算法来决定其在数组中的存储位置,在根据 equals 方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置;当需要取出一个Entry 时,也会根据 hash 算法找到其在数组中的存储位置,再根据 equals 方法从该位置上的链表中取出该Entry。

HashMap 的 resize(rehash)

当 HashMap 中的元素越来越多的时候,hash 冲突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,这是一个常用的操作,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,这是一个折中的取值。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。

HashMap 的性能参数

HashMap 包含如下几个构造器:

HashMap():构建一个初始容量为 16,负载因子为 0.75 的 HashMap。

ashMap(int initialCapacity):构建一个初始容量为 initialCapacity,负载因子为 0.75 的 HashMap。

HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。

HashMap 的基础构造器 HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 带有两个参数,它们是初始容量 initialCapacity 和负载因子 loadFactor。

负载因子 loadFactor 衡量的是一个散列表的空间的使用程度,负载因子越大表示散列表的装填程度越高,反之愈小。对于使用链表法的散列表来说,查找一个元素的平均时间是 O(1+a),因此如果负载因子越大,对空间的利用更充分,然而后果是查找效率的降低;如果负载因子太小,那么散列表的数据将过于稀疏,对空间造成严重浪费。

HashMap 的实现中,通过 threshold 字段来判断 HashMap 的最大容量:

threshold = (int)(capacity * loadFactor);

结合负载因子的定义公式可知,threshold 就是在此 loadFactor 和 capacity 对应下允许的最大元素数目,超过这个数目就重新 resize,以降低实际的负载因子。默认的的负载因子 0.75 是对空间和时间效率的一个平衡选择。当容量超出此最大容量时, resize 后的 HashMap 容量是容量的两倍:

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到底啦