Java基础知识强化之集合框架笔记79：HashMap的实现原理

1. HashMap的实现原理之 HashMap数据结构：

HashMap是对数据结构中哈希表(Hash Table)的实现， Hash表又叫散列表。Hash表是根据关键码Key来访问其对应的值Value的数据结构。

它通过一个映射函数把关键码Key映射到Hash表中一个位置来访问该位置的值Value，从而加快查找的速度。这个映射函数叫做Hash函数，存放记录的数组叫做Hash表。

在Java中，HashMap的内部实现结合了链表和数组的优势，链接节点的数据结构是Entry<k,v>，每个Entry对象的内部又含有指向下一个Entry类型对象的引用，如以下代码所示：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
      final K key;  
      V value;  
      Entry<K,V> next; //Entry类型内部有一个自己类型的引用，指向下一个Entry  
      final int hash;   
      ...
}  

哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法--- 拉链法，我们可以理解为"链表的数组" ，如图：

 

2. HashMap的实现原理之 HashMap的存取实现：

 既然是线性数组，为什么能随机存取？这里HashMap用了一个小算法，大致是这样实现：

// 存储时:
int hash = key.hashCode(); // 这个hashCode方法这里不详述,只要理解每个key的hash是一个固定的int值
int index = hash % Entry[].length;
Entry[index] = value;

// 取值时:
int hash = key.hashCode();
int index = hash % Entry[].length;
return Entry[index];

（1）put

　　这里HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过Entry类里面有一个next属性，作用是指向下一个Entry。打个比方， 第一个键值对A进来，通过计算其key的hash得到的index=0，记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B，通过计算其index也等于0，现在怎么办？HashMap会这样做:B.next = A，Entry[0] = B,如果又进来C，index也等于0，那么C.next = B,Entry[0] = C；这样我们发现index=0的地方其实存取了A，B，C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素，HashMap同一index下使用头插法（每次插入数据，从链头部插入）。

到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

 public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //遍历链表
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //如果key在链表中已存在，则替换为新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); //参数e, 是Entry.next
//如果size超过threshold，则扩充table大小。再散列
    if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
}

　　当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现，这里也说一下。比如：Entry[]的长度一定后，随着map里面数据的越来越长，这样同一个index的链就会很长，会不会影响性能？

回答：会影响性能，HashMap里面设置一个因子，随着map的size越来越大，Entry[]（对应index的链表，每个元素都是Entry）会以一定的规则加长长度。

 

（2）get

 public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        int hash = hash(key.hashCode());
        //先定位到数组元素，再遍历该元素处的链表
        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总是存放在Entry[]数组的第一个元素。

  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）确定数组的index：hashcode % table.length取模

HashMap存取时，都需要计算当前key应该对应Entry[]数组哪个元素，即计算数组下标；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，作用上相当于取模mod或者取余%。

这意味着数组下标相同，并不表示hashCode相同。

 

（5）table（哈希表）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初始大小并不是构造函数中的initialCapacity！！

而是 >= initialCapacity的2的n次幂！！！！

 

3. HashMap的实现原理之 解决hash冲突的办法：

1. 开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）
2. 再哈希法
3. 链地址法
4. 建立一个公共溢出区

Java中hashmap的解决办法就是采用的链地址法。

 

4. HashMap的实现原理之 哈希表rehash过程（扩容机制）：

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。

当哈希表的容量超过默认容量时，必须调整table的大小。当容量已经达到最大可能值时，那么该方法就将容量调整到Integer.MAX_VALUE返回，这时，需要创建一张新表，将原表的映射到新表中。

HashMap 类中包含3个和扩容相关的常量：

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 是初始容量，默认是 2^4 = 16；

MAXIMUM_CAPACITY是最大容量，默认是 2^30；

DEFAULT_LOAD_FACTOR是增长因子，当占用率超过这个值时，就会触发扩容操作。

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY是table数组的容量，DEFAULT_LOAD_FACTOR则是为了最大程度避免哈希冲突，提高HashMap效率而设置的一个影响因子，将DEFAULT_LOAD_FACTOR乘以DEFAULT_INITIAL_CAPACITY就得到了一个阈值threshold，当HashMap的容量达到threshold时就需要进行扩容，这个时候就要进行ReHash操作了，可以看到下面addEntry函数的实现，当size达到threshold时会调用resize（）函数进行扩容。

 

HashMap的默认扩容机制，是存储的key超过容量的75%时，容量翻番。其实，这些和有序无序没关系。

比如：当前大小是16，当占用超过16*0.75=12时，就把容量扩充到16*2=32。

resize（）方法的源码如下：

  /**
     * 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;
                    //重新计算index
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

在扩容的过程中需要进行ReHash操作，而这是非常耗时的，在实际中应该尽量避免。