深入解析Java对象的hashCode和hashCode在HashMap的底层数据结构的应用

一、java对象的比较

等号(==)：

对比对象实例的内存地址（也即对象实例的ID），来判断是否是同一对象实例；又可以说是判断对象实例是否物理相等；

 

equals()：

对比两个对象实例是否相等。

当对象所属的类没有重写根类Object的equals()方法时，equals()判断的是对象实例的ID（内存地址），是否是同一对象实例；该方法就是使用的等号(==)的判断结果，如Object类的源代码所示：

public boolean equals(Object obj) {
      return (this == obj);
}

 
当对象所属的类重写equals()方法（可能因为需要自己特有的“逻辑相等”概念)时，equals()判断的根据就因具体实现而异，有些类是需要比较对象的某些指或内容，如String类重写equals()来判断字符串的值是否相等。判断逻辑相等。

hashCode():

计算出对象实例的哈希码，并返回哈希码，又称为散列函数。根类Object的hashCode()方法的计算依赖于对象实例的D（内存地址），故每 个Object对象的hashCode都是唯一的；当然，当对象所对应的类重写了hashCode()方法时，结果就截然不同了。

 

二、Java的类为什么需要hashCode？---hashCode的作用，从Java中的集合的角度看。

　　总的来说，Java中的集合（Collection）有两类，一类是List，再有一类是Set。你知道它们的区别吗？前者集合内的元素是有序 的，元素可以重复；后者元素无序，但元素不可重复。那么这里就有一个比较严重的问题了：要想保证元素不重复，可两个元素是否重复应该依据什么来判断呢？这 就是 Object.equals方法了。但是，如果每增加一个元素就检查一次，那么当元素很多时，后添加到集合中的元素比较的次数就非常多了。也就是说，如果 集合中现在已经有1000个元素，那么第1001个元素加入集合时，它就要调用1000次equals方法。这显然会大大降低效率。

   

    于是，Java采用了哈希表的原理。哈希算法也称为散列算法，是将数据依特定算法直接指定到一个地址上。关于哈希算法，这里就不详细介绍。可以这样简单理解，hashCode方法实际上返回的就是对象存储位置的映像。
   

     这样一来，当集合要添加新的元素时，先调用这个元素的hashCode方法，就能定位到它应该放置的存储位置。如果这个位置上没有元素，它就可以直接存 储在这个位置上，不用再进行任何比较了；如果这个位置上已经有元素了，就调用它的equals方法与新元素进行比较，相同的话就不存了，不相同就表示发生 冲突了，散列表对于冲突有具体的解决办法，但最终还会将新元素保存在适当的位置。这样一来，实际调用equals方法的次数就大大降低了，几乎只需要一两 次。
   

所以，Java对于eqauls方法和hashCode方法是这样规定的：
1、相等的对象必须具有相等的哈希码（或者散列码）。
2、如果两个对象的hashCode相同，它们并不一定相同。
  
 上述的对象相同指的是通过eqauls方法判断，结果为true。

 你当然可以不按要求去做了，但你会发现，相同的对象可以出现在Set集合中。同时，增加新元素的效率会大大下降。

 

三、深入解析HashMap类的底层数据结构

Map接口
　　Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

 

Hashtable类
　　Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。
   

    Hashtable通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。
使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：
　　　　Hashtable numbers = new Hashtable();
　　　　numbers.put(“one”, new Integer(1));
　　　　numbers.put(“two”, new Integer(2));
　　　　numbers.put(“three”, new Integer(3));
　　要取出一个数，比如2，用相应的key：
　　　　Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);
　　　　System.out.println(“two = ” + n);

 
1.    HashMap概述：
   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。
 
2.    HashMap的数据结构：
    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。首先，HashMap类的属性中定义了Entry类型的数组。Entry类实 现java.ultil.Map.Entry接口，同时每一对key和value是作为Entry类的属性被包装在Entry的类中。
 

如图所示，HashMap的数据结构：


 

 

 

   HashMap的部分源码如下：

/**
 * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
 */

transient Entry[] table;

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

 
    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。table数组的元 素是Entry类型的。每个 Entry元素其实就是一个key-value对，并且它持有一个指向下一个 Entry元素的引用，这就说明table数组的每个Entry元素同时也作为某个Entry链表的首节点，指向了该链表的下一个Entry元素，这就是 所谓的“链表散列”数据结构，即数组和链表的结合体。

 
3.    HashMap的存取实现：

   1) 添加元素：

当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的重新计算元素的hashCode，根据hashCode得到这个元素在table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。

HashMap的部分源码如下：

public V put(K key, V value) {
   // HashMap允许存放null键和null值。
   // 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。
   if (key == null)
       return putForNullKey(value);
   // 根据key的keyCode重新计算hash值。
   int hash = hash(key.hashCode());
   // 搜索指定hash值在对应table中的索引。
   int i = indexFor(hash, table.length);
   // 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。
   for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
       Object k;
      // 如果发现 i 索引处的链表的某个Entry的hash和新Entry的hash相等且两者的key相同，则新Entry覆盖旧Entry，返回。
       if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
           V oldValue = e.value;
           e.value = value;
           e.recordAccess(this);
           return oldValue;
       }
   }
   // 如果i索引处的Entry为null，表明此处还没有Entry。
   modCount++;
   // 将key、value添加到i索引处。
   addEntry(hash, key, value, i);
   return null;

 

 2) 读取元素：

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。

HashMap的部分源码如下：

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    int hash = hash(key.hashCode());
    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) 归纳起来简单地说，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。

   

四、关于“相等的对象必须具有相等的哈希码”

　　由于作为key的对象将通过计算其散列函数hashCode()来确定与之对应的value的位置，因此任何作为key的对象都必须实现 hashCode和equals方法。hashCode和equals方法继承自根类Object，如果你用自定义的类当作key的话，要相当小心，按照 散列函数的定义，如果两个对象相同，即obj1.equals(obj2)=true，则它们的hashCode必须相同，但如果两个对象不同，则它们的 hashCode不一定不同，如果两个不同对象的hashCode相同，这种现象称为冲突，冲突会导致操作哈希表的时间开销增大，所以尽量定义好的 hashCode()方法，能加快哈希表的操作。
　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。

同时复写equals方法和hashCode方法,必须保证“相等的对象必须具有相等的哈希码”，也就是当两个对象通过equals()比较的结果为true时，这两个对象调用hashCode（）方法生成的哈希码必须相等。

 

如何保证相等，可以参考下面的方法：

    复写equals方法和hashCode方法时，equals方法的判断根据和计算hashCode的依据相同。如String的equals方法是比较 字符串每个字符，String的hashCode也是通过对该字符串每个字符的ASC码简单的算术运算所得，这样就可以保证相同的字符串的 hashCode相同且equals()为真。

 

String类的equals方法的源代码：

   /**
    * Compares this string to the specified object.  The result is {@code
    * true} if and only if the argument is not {@code null} and is a {@code
    * String} object that represents the same sequence of characters as this
    * object.
    *
    * @param  anObject
    *         The object to compare this {@code String} against
    *
    * @return  {@code true} if the given object represents a {@code String}
    *          equivalent to this string, {@code false} otherwise
    *
    * @see  #compareTo(String)
    * @see  #equalsIgnoreCase(String)
    */
   public boolean equals(Object anObject) {
if (this == anObject) {
    return true;
}
if (anObject instanceof String) {
    String anotherString = (String)anObject;
    int n = count;
    if (n == anotherString.count) {
    char v1[] = value;
    char v2[] = anotherString.value;
    int i = offset;
    int j = anotherString.offset;
    while (n-- != 0) {
        if (v1[i++] != v2[j++])
        return false;
    }
    return true;
    }
}
return false;
   }

 

String类的hashCode方法计算hashCode的源代码：

   /**
    * Returns a hash code for this string. The hash code for a
    * <code>String</code> object is computed as
    * <blockquote><pre>
    * s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
    * </pre></blockquote>
    * using <code>int</code> arithmetic, where <code>s[i]</code> is the
    * <i>i</i>th character of the string, <code>n</code> is the length of
    * the string, and <code>^</code> indicates exponentiation.
    * (The hash value of the empty string is zero.)
    *
    * @return  a hash code value for this object.
    */
   public int hashCode() {
int h = hash;
       int len = count;
if (h == 0 && len > 0) {
    int off = offset;
    char val[] = value;

           for (int i = 0; i < len; i++) {
               h = 31*h + val[off++];
           }
           hash = h;
       }
       return h;
   }