HashMap实现原理

HashMap是基于散列表的Map接口的实现。插入和查询的性能消耗是固定的。可以通过构造器设置容量和负载因子，一调整容易得性能。

散列表：给定表M，存在函数f(key)，对任意给定的关键字值key，代入函数后若能得到包含该关键字的记录在表中的地址，则称表M为哈希（Hash）表，函数f(key)为哈希(Hash) 函数。HashMap中散列表由数组实现。

容量：散列表数组的长度。

负载因子：散列表中当前存储的项/容量。HashMap默认使用的负载因子是0.75。

HashMap是键-值对结构。HashMap的键不能重复（可以是null），而值可以重复。在Java中如果一个类作为HashMap的key要能正确的工作，那么这个类就需要同时实现hashCode()方法和equals()方法。

HashMap使用equals()判断当前键是否与表中存在的键相同。使用hashCode()生成散列码。hashCode()就是散列函数(也称为哈希函数)。

正确的equals()方法必须满足下列5个条件：

• 自反性：对任意x，x.equals(x)一定返回true
• 对称性：对任意x,y，如果x.equals(y)返回true，则y.equals(x)也返回true
• 传递性：对任意x,y,z，如果x.equals(y)返回true，y.equals(z)返回true，那么x.equals(z)也返回true
• 一致性：对任意x,y，如果对象中用于等价等价比较的信息没有改变，那么无论调用x.equals(y)多少次，返回的结果应该保持一致。
• 对任何不是null的x，x.equlas(null)一定返回false

HashMap通过散列的方式决定如何存储键以达到更快的查找速度。

首先看一下HashMap是如何表示一个键-值对的对象的。

Map.java

public interface Map<K, V> {
  interface Entry<K, V> {
    K getKey();

    V getValue();

    V setValue(V value);

    boolean equals(Object o);

    int hashCode();
    /// ......
	}
  /// ......
}

在Map.java中定义了Entry<K, V>接口表示一个键-值对。具体的实现由Map的实现类定义。

HashMap.java

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {
  
  static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    V value;
    Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
      this.hash = hash;
      this.key = key;
      this.value = value;
      this.next = next;
    }

    public final K getKey()        { return key; }
    public final V getValue()      { return value; }
    public final String toString() { return key + "=" + value; }

    public final int hashCode() {
      return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
    }

    public final V setValue(V newValue) {
      V oldValue = value;
      value = newValue;
      return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
      if (o == this)
        return true;

      return o instanceof Map.Entry<?, ?> e
        && Objects.equals(key, e.getKey())
        && Objects.equals(value, e.getValue());
    }
  }
  /// ......
}

HashMap基于散列表实现，在Java中使用一个数组表示散列表。通过散列将键信息(就是Map.Entry<K,V>对象)保存在数组中。散列通过键对象生成一个数字，将其作为数组的下标。这个数字就是散列码。

在调用HashMap的put方法时，首先通过散列计算散列码得到数组的下标，然后查询指定下标的数组位置上是否有值(Map.Entry<K,V>)，如果没有值则将put的键-值对生成Map.Entry<K,V>对象存在该位置。如果有值则对比当前put的值是否已经存在，如果存在则替换，不存在则将put的键-值对生成Map.Entry<K,V>对象添加到最后一个Map.Entry<K,V>的next域上。

在调用HashMap的get方法时，同样先计算散列码得到数组的下标然后查询该位置的值，如果不存在则返回null，存则查找Map.Entry<K,V>链，直到找到对应键的值返回。