HashMap的Hash算法

HashMap的数据结构

要知道hashmap是什么，首先要搞清楚它的数据结构，在java编程语言中，最基本的结构就是两种，一个是数组，另外一个是模拟指针（引用），所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的，HashMap也不例外。HashMap实际上是一个数组和链表的结合体（在数据结构中，一般称之为“链表散列”），请看下图（横排表示数组，纵排表示数组元素【实际上是一个链表】）。

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/** 
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two. 
 *  FIXME 这里需要注意这句话，至于原因后面会讲到 
 */  
transient Entry[] table;
 
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static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
    final K key;  
    V value;  
    final int hash;  
    Entry<K,V> next;  
    ..........  
}

上面的Entry就是数组中的元素，它持有一个指向下一个元素的引用，这就构成了链表。
当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置（即下标），然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。如果这个元素所在的位子上已经存放有其他元素了，那么在同一个位子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。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。从这里我们可以想象得到，如果每个位置上的链表只有一个元素，那么HashMap的get效率将是最高的，但是理想总是美好的，现实总是有困难需要我们去克服，哈哈~

计算key的hashCode

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。

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static int hash(int h) {
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

 

假设key.hashCode()的值为：0x7FFFFFFF，table.length为默认值16。
上面算法执行如下：

再调用indexFor(int h, int length)方法最后返回的index为15

其中h^(h>>>7)^(h>>>4) 结果中的位运行标识是把h>>>7 换成 h>>>8来看。
即最后h^(h>>>8)^(h>>>4) 运算后hashCode值每位数值如下：
8=8
7=7^8
6=6^7^8
5=5^8^7^6
4=4^7^6^5^8
3=3^8^6^5^8^4^7
2=2^7^5^4^7^3^8^6
1=1^6^4^3^8^6^2^7^5
结果中的1、2、3三位出现重复位^运算
3=3^8^6^5^8^4^7 -> 3^6^5^4^7
2=2^7^5^4^7^3^8^6 -> 2^5^4^3^8^6
1=1^6^4^3^8^6^2^7^5 -> 1^4^3^8^2^7^5

算法中是采用(h>>>7)而不是(h>>>8)的算法，应该是考虑1、2、3三位出现重复位^运算的情况。使得最低位上原hashCode的8位都参与了^运算，所以在table.length为默认值16的情况下面，hashCode任意位的变化基本都能反应到最终hash table 定位算法中，这种情况下只有原hashCode第3位高1位变化不会反应到结果中，即：0x7FFFF7FF的i=15。

根据hashCode返回数组中位置

我们首先想到的就是把hashcode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，能不能找一种更快速，消耗更小的方式呢？java中时这样做的

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

 

首先算得key的hashcode值，然后跟数组的长度-1做一次“与”运算&。看上去很简单，其实比较有玄机。比如数组的长度是2的4次方，那么hashcode就会和2的4次方-1做“与”运算。很多人都有这个疑问，为什么HashMap的数组初始化大小都是2的次方大小时，HashMap的效率最高，我以2的4次方举例，来解释一下为什么数组大小为2的幂时HashMap访问的性能最高。
看下图，左边两组是数组长度为16（2的4次方），右边两组是数组长度为15。两组的hashcode均为8和9，但是很明显，当它们和1110（1110是数组长度15-1所得到的2进制）“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会被放到同一个链表上，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，hashcode的值会与1110（1110是数组长度15-1的2进制）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！

所以说，当数组长度为2的n次幂的时候，不同的key算得的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。
说到这里，我们再回头看一下HashMap中默认的数组大小是多少，查看源代码可以得知是16，为什么是16，而不是15，也不是20呢，看到上面的解释之后我们就清楚了吧，显然是因为16是2的整数次幂的原因，在小数据量的情况下16比15和20更能减少key之间的碰撞，而加快查询的效率。

所以，在存储大容量数据的时候，最好预先指定HashMap的size为2的整数次幂次方。就算不指定的话，也会以大于且最接近指定值大小的2次幂来初始化的，代码如下(HashMap的构造方法中)：

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

 

HashMap的resize

当HashMap中的元素越来越多的时候，碰撞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，所以这是一个通用的操作，很多人对它的性能表示过怀疑，不过想想我们的“均摊”原理，就释然了，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，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。比如说，我们有1000个元素HashMap, 但是理论上来讲new HashMap(1024)更合适，不过上面已经说过，即使是1000，HashMap也自动会将其设置为1024。 但是new HashMap(1024)还不是更合适的，因为0.75*1000 < 1000, 也就是说为了让0.75 * size > 1000, 我们必须这样new HashMap(2048)才最合适，既考虑了&的问题，也避免了resize的问题。

key的hashcode与equals方法改写

在第一部分HashMap的数据结构中，就写了get方法的过程：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。所以，hashcode与equals方法对于找到对应元素是两个关键方法。
HashMap的key可以是任何类型的对象，例如User这种对象，为了保证两个具有相同属性的user的hashcode相同，我们就需要改写hashcode方法，比方把hashcode值的计算与User对象的id关联起来，那么只要user对象拥有相同id，那么他们的hashcode也能保持一致了，这样就可以找到在HashMap数组中的位置了。如果这个位置上有多个元素，还需要用key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素，所以只改写了hashcode方法是不够的，equals方法也是需要改写的~当然啦，按正常思维逻辑，equals方法一般都会根据实际的业务内容来定义，例如根据user对象的id来判断两个user是否相等。
在改写equals方法的时候，需要满足以下三点：

  1. 自反性：就是说a.equals(a)必须为true。
  2. 对称性：就是说a.equals(b)=true的话，b.equals(a)也必须为true。
  3. 传递性：就是说a.equals(b)=true，并且b.equals(c)=true的话，a.equals(c)也必须为true。

通过改写key对象的equals和hashcode方法，我们可以将任意的业务对象作为map的key(前提是你确实有这样的需要)。

原文作者：annegu（iteye作者）
原文标题：深入理解HashMap

原文作者：marystone（iteye作者）
原文标题：HashMap hash方法分析

posted @ 2019-07-31 21:23  qxwang  阅读(138)  评论(0)    收藏  举报