散列表的数据结构以及对象在JVM堆中的存储过程

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出自【进步*于辰的博客】

参考笔记二，P67、P68.1。

目录

1、什么是“散列表”？

大家先看张图，这是我理解的“散列表”底层数据结构图。
在这里插入图片描述
我先大致说说 JVM 的内存结构。
JVM内存结构主要由堆、栈和方法区组成。栈主要用于存储基本数据类型变量和引用、以及引用类型变量引用等；堆主要用于存储对象和数组；方法区主要用于存储类信息和常量。

这里主要讲的是“堆”。对象在堆中不是随意存储的，而是通过一种数据结构“散列表”进行存储（存储于散列表中）。何为散列表？它的数据结构大致如上图所示，纵向是数组，横向是链表（有些资料中也将“链表”称之为“桶”），数组的每一个节点都是链表的表头。

Hash系列（如：java.util.Hashtable<K,V>、java.util.HashMap<K,V>）的数据结构就是散列表，下文以 Hashtable 为例。

PS：散列表的结构为何这样设计？又为何要将对象采用散列表结构进行存储？往下看。

2、关于对象存储过程

2.1 加载过程

关于创建对象方法，可参考博文《[Java]知识点》的第3.2项。

对象创建完成，为对象在 Hashtable 中选择一个存储位置，需要使用对象的内存地址在 Hashtable 中进行检索。

  • 第一步：将对象内存地址（十六进制）转化成十进制，再通过$hash 算法$，得到一个整型数字，即hashcode；
  • 第二步：通过某种运算，得出与此对象具有相同 hashcode 的“桶”的位置（索引）；（关于“运算”，见本文末）
  • 第三步：在确定“桶”后，检索，比较entry中的key，找到对象合适的存储位置后插入“桶”。

补充说明：

Hashtable 是一种数据结构，可以存储任何类型数据，对象只是其一。
如果 Hashtable 存储的是对象，则key存储的是内存地址，value存储的是对象。

若 Hashtable 中存储的是对象，则加载过程就是检索对象应存储位置后直接插入对象，不存在覆盖现象。
如：Hashtable<String, Object>，映射（有些资料也称之为“条目”）是Entry<String, Object>。由于key可能重复，故可能会覆盖。

扩展一点：
大家可能会疑惑：使用Map<String, Object>时，打印key，显示的是 String，并不是你说的内存地址啊？

因为，如果key的类型是 String，如：映射Map.Entry = {"name", [对象]}，其底层（JVM中）是先在方法区的字符串常量池中创建一个字符串常量"name"，此常量对应一个内存地址，然后将此内存地址经过上文中的“加载过程”作为key存储进Map中。当我们输出key时，在底层会通过其存储的内存地址，去字符串常量池中查找，从而输出"name"。

不过，这里有一个问题我暂未理清，大家看String类的第3.22项的hashcode()，此方法返回字符串的哈希码。可见，两个内容相同的字符串的hash相同。那么，Hashtable<String, Object>的数据结构又是怎样的？

2.2 注意

  1. hashcode的作用主要是用于在数组中，定位与对象具有相同 hashcode 的“桶”的表头位置（索引）， hashcode 本身并不存储于 Hashtable。
  2. 散列表的纵向（数组）和横向（链表）的每个节点的数据类型都是entry。
    注：Hashtable 类中节点的数据类型是Map.Entry。
  3. 两个不同对象的hashcode可能相同，同一个“桶”中的所有对象的hashcode都相同。
  4. 散列表的纵向设计为数组是因为数组便于检索（定位具有相同hashcode的“桶”效率高），横向设计为链表是因为链表便于修改（插入、修改效率高）。
  5. “桶”是双向链表.。两头都可以是表头，这样设计是为了提高检索对象的速度。
  6. “桶”的数据结构不是一成不变的。当entry个数达到一定临界值时，“桶”会重构，从而提高检索对象性能。
    重构规则：当entry个数超过8个时，重构为红黑树（大家以二叉树的结构理解就行）；当小于等于6时，重构回链表。

3、Hashtable 扩容机制

先说定义：

“扩容”指扩大 Hashtable 的容量（即“桶”的个数），上面第6点中提及的“重构”指修改“桶”的数据结构，两者不要混淆。

3.1 扩容机制是什么？

Hashtable 何时扩容？这里涉及一个概念——加载因子（又名“负载因子”）。

  • 每个“桶”都有一个初始entry容纳个数。
  • “加载因子”指填满（“桶”中entry个数达到初始容纳个数）的“桶”的个数占 Hashtable 当前容量（指 Hashtable 的当前“桶”个数）的比例，也称之为“扩容阈值”。
  • 加载因子越大，hash碰撞越多，性能越低。加载因子的默认值是0.75，这是考虑到空间（内存）和时间（性能）的折中值。
    注：“hash碰撞”就是上文“加载过程”中的第二步。查找与新对象具有相同hashcode的对象所在“桶”的过程。

3.2 扩容时刻

Hashtable 的扩容时刻是：（指当 Hashtable 中entry个数达到的扩容临界值）

x * 0.75 * 8

x是当前容量，默认值为11；0.75是加载因子的默认值；8是“桶”重构的临界值。（注：当entry个数达到8个时，“桶”重构，但仍然可以继续存储，与扩容机制无关）

可实际上，一般情况下，扩容时刻会是：

x * 0.75 * 6

为什么是6，不是8？因为 Hashtable 不存在平均分配的机制，且对象的内存地址是任意的，故 hashcode 任意。

PS：这两个“扩容时刻”都是一个估计值，作为理论参考。

补充说明：Hashtable 类有一个属性threshold（扩容阈值），值为当前容量 * 加载因子，此处的“扩容时刻”即threshold与“桶”重构时平均节点数之积。

4、散列表应用示例

@Override
public boolean equals(Object obj) {
    if (this.hashCode() == obj.hashCode()) {
        if (this == obj)
            return true;
        else 
            return false;
    } else
        return false;
}

使用散列表提高对象检索性能。

5、扩展

Hashtable 与 HashMap 的区别：

  1. Hashtable 的默认容量为11，HashMap 的默认容量为16。
  2. Hashtable 继承于 Dictionary<K,V>，HashMap 继承于 AbstractMap<K,V>。
  3. 由于 Hashtable 是线程安全的，故效率低。因此，在多线程环境下，使用ConcurrentHashMap<K,V>类；而在单线程环境下，使用 HashMap。

最后

本文中的例子是为了方便大家理解和阐述知识点而简单举出的，旨在阐明知识点，并不一定有实用性，仅是抛砖引玉。

相信这篇文章会让大家对散列表的数据结构有了初步的了解，如果大家想进一步了解其底层实现，可查阅Hashtable、HashMap这两个类的源码解析。

本文完结。

posted @ 2024-04-04 10:46  进步·于辰  阅读(4)  评论(0)  编辑  收藏  举报  来源