HashMap 的底层实现原理
HashMap 是一个用于存储Key-Value 键值对的集合,每一个键值对也叫做Entry。这些个Entry 分散存储在一个数组当中,这个数组就是HashMap 的主干。
HashMap 数组每一个元素的初始值都是Null。
1. Put 方法的原理
调用Put方法的时候发生了什么呢?
比如调用 hashMap.put(“apple”, 0) ,插入一个Key为“apple”的元素。这时候我们需要利用一个哈希函数来确定Entry的插入位置(index):
index = Hash("apple")
假定最后计算出的index是2,那么结果如下:
但是,因为HashMap的长度是有限的,当插入的Entry越来越多时,再完美的Hash函数也难免会出现index冲突的情况。比如下面这样:
这时候该怎么办呢?我们可以利用链表来解决。
HashMap数组的每一个元素不止是一个Entry对象,也是一个链表的头节点。每一个Entry对象通过Next指针指向它的下一个Entry节点。当新来的Entry映射到冲突的数组位置时,只需要插入到对应的链表即可:
新来的Entry节点插入链表时,使用的是“头插法。
2. Get方法的原理
使用Get方法根据Key来查找Value的时候,发生了什么呢?
首先会把输入的Key做一次Hash映射,得到对应的index:
index = Hash(“apple”)
由于刚才所说的Hash冲突,同一个位置有可能匹配到多个Entry,这时候就需要顺着对应链表的头节点,一个一个向下来查找。假设我们要查找的Key是“apple”:
第一步,我们查看的是头节点Entry6,Entry6的Key是banana,显然不是我们要找的结果。
第二步,我们查看的是Next节点Entry1,Entry1的Key是apple,正是我们要找的结果。
之所以把Entry6放在头节点,是因为HashMap的发明者认为,后插入的Entry被查找的可能性更大。
3. HashMap的初始长度
初始长度为16,且每次自动扩容或者手动初始化的时候必须是2的幂。
如何进行位运算呢?有如下的公式(Length是HashMap的长度):
之前说过,从Key映射到HashMap数组的对应位置,会用到一个Hash函数:
index = Hash(“apple”)
如何实现一个尽量均匀分布的Hash函数呢?我们通过利用Key的HashCode值来做某种运算。
index = HashCode(Key) & (Length - 1)
下面我们以值为“book”的Key来演示整个过程:
计算book的hashcode,结果为十进制的3029737,二进制的101110001110101110 1001。
假定HashMap长度是默认的16,计算Length-1的结果为十进制的15,二进制的1111。
把以上两个结果做与运算,101110001110101110 1001 & 1111 = 1001,十进制是9,所以 index=9。
可以说,Hash算法最终得到的index结果,完全取决于Key的Hashcode值的最后几位。这里的位运算其实是一种快速取模算法。
HashMap 的size为什么必须是2的幂?。这是因为2的幂用二进制表示时所有位都为1,例如16-1=15 的二进制就是1111B。我们说了Hash算法是为了让hash 的分布变得均匀。其实我们可以把1111看成四个通道,表示跟1111 做&运算后分布是均匀的。假如默认长度取10,二进制表示为1010,这样就相当于有两个通道是关闭的,所以计算出来的索引重复的几率比较大。