浅析java中的hashMap

?  HashMap 和 HashSet 是 Java Collection Framework 的两个重要成员,其中 HashMap 是 Map 接口的常用实现类,HashSet 是 Set 接口的常用实现类。虽然 HashMap 和 HashSet 实现的接口规范不同,但它们底层的 Hash 存储机制完全一样,甚至 HashSet 本身就采用 HashMap 来实现的。

通过 HashMap、HashSet 的源代码分析其 Hash 存储机制
集合和引用 
就像引用类型的数组一样,当我们把 Java 对象放入数组之时,并不是真正的把 Java 对象放入数组中,只是把对象的引用放入数组中,每个数组元素都是一个引用变量。

HashMap 的存储实现
当程序试图将多个 key-value 放入 HashMap 中时,以如下代码片段为例:

HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>();
map.put("语文" , 80.0);
System.out.println("语文hashCode: " + map.get("语文").hashCode());
map.put("语文" , 80.0);
System.out.println("语文改变分数后hashCode1: " + map.get("语文").hashCode());
map.put("语文", 80.2);
System.out.println("语文改变分数后hashCode2: " + map.get("语文").hashCode());
map.put("数学", 89.0);
map.put("英语", 78.2);
System.out.println("数学hashCode: " + map.get("数学").hashCode());
System.out.println("英语hashCode: "+map.get("英语").hashCode());
map.put(null , 78.5);
map.put("null" , 78.6);
System.out.println("null hashCode: "+map.get(null));
System.out.println("null hashCode: " + map.get(null).hashCode());
System.out.println("\"null\" hashCode: "+map.get("null"));
System.out.println("\"null\" hashCode: "+map.get("null").hashCode());

运行后的结果如下:

语文hashCode: 1079246848
语文改变分数后hashCode1: 1079246848
语文改变分数后hashCode2: -1936146431
数学hashCode: 1079394304
英语hashCode: -1935720447
null hashCode: 78.5
null hashCode: 1079222272
"null" hashCode: 78.6
"null" hashCode: 641056768

看 HashMap 类的 put(K key , V value) 方法的源代码:

  /**
     * Associates the specified value with the specified key in this map.
     * If the map previously contained a mapping for the key, the old
     * value is replaced.
     *
     * @param key key with which the specified value is to be associated
     * @param value value to be associated with the specified key
     * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
     *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>.
     *         (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map
     *         previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.)
     */
    public V put(K key, V value) {    
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
            // 如果 key 为 null,调用 putForNullKey 方法进行处理 
        int hash = hash(key.hashCode());
            // 根据 key 的 keyCode 计算 Hash 值  
        int i = indexFor(hash, table.length);
            // 搜索指定 hash 值在对应 table 中的索引  
            // 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;
            // 找到指定 key 与需要放入的 key 相等(hash 值相同通过 equals 比较放回 true)  
            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;
}

从上面程序中可以看出:当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时,完全没有考虑 Entry 中的 value,仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。

这也说明:我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属,当系统决定了 key 的存储位置之后,value 随之保存在那里即可。

上面方法提供了一个根据 hashCode() 返回值来计算 Hash 码的方法:hash(),这个方法是一个纯粹的数学计算,其方法如下:

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

“按位异或”运算符,是双目运算。

>>> 是转化为二进制右移位,空出来的补0

按位异或运算符^

例如:10100001^00010001=10110000 
0^0=0,0^1=1   0异或任何数=任何数
1^0=1,1^1=0   1异或任何数=任何数取反
任何数异或自己=把自己置0

对于任意给定的对象,只要它的 hashCode() 返回值相同,那么程序调用 hash(int h) 方法所计算得到的 Hash 码值总是相同的。接下来程序会调用 indexFor(int h, int length) 方法来计算该对象应该保存在 table 数组的哪个索引处。indexFor(int h, int length) 方法的代码如下:

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

这个方法非常巧妙,它总是通过 h &(table.length -1) 来得到该对象的保存位置——而 HashMap 底层数组的长度总是 2 的 n 次方。

当 length 总是 2 的倍数时,h & (length-1) 将是一个非常巧妙的设计:

假设 h=5,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 5;

如果 h=6,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 6 ;

……

如果 h=15,length=16, 那么 h & length - 1 将得到 15;

但是当 h=16 时 , length=16 时,那么 h & length - 1 将得到 0 了;

当 h=17 时 , length=16 时,那么 h & length - 1 将得到 1 了……

这样保证计算得到的索引值总是位于 table 数组的索引之内。

上面程序中还调用了 addEntry(hash, key, value, i); 代码,其中 addEntry 是 HashMap 提供的一个包访问权限的方法,该方法仅用于添加一个 key-value 对。下面是该方法的代码:

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)   
{   
    // 获取指定 bucketIndex 索引处的 Entry   
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];     // ①  
    // 将新创建的 Entry 放入 bucketIndex 索引处,并让新的 Entry 指向原来的 Entry   
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);   
    // 如果 Map 中的 key-value 对的数量超过了极限  
    if (size++ >= threshold)   
        // 把 table 对象的长度扩充到 2 倍。  
        resize(2 * table.length);    // ②  
}

上面方法的代码很简单,但其中包含了一个非常优雅的设计:系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象,那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象(产生一个 Entry 链),如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象,也就是上面程序①号代码的 e 变量是 null,也就是新放入的 Entry 对象指向 null,也就是没有产生 Entry 链。

上面程序中使用的 table 其实就是一个普通数组,每个数组都有一个固定的长度,这个数组的长度就是 HashMap 的容量。HashMap 包含如下几个构造器:

    * HashMap():构建一个初始容量为 16,负载因子为 0.75 的 HashMap。 
    * HashMap(int initialCapacity):构建一个初始容量为 initialCapacity,负载因子为 0.75 的 HashMap。 
    * HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):以指定初始容量、指定的负载因子创建一个 HashMap。

当创建 HashMap 时,有一个默认的负载因子(load factor),其默认值为 0.75,这是时间和空间成本上一种折衷:

增大负载因子可以减少 Hash 表(就是那个 Entry 数组)所占用的内存空间,但会增加查询数据的时间开销,而查询是最频繁的的操作(HashMap 的 get() 与 put() 方法都要用到查询);

减小负载因子会提高数据查询的性能,但会增加 Hash 表所占用的内存空间。

掌握了上面知识之后,我们可以在创建 HashMap 时根据实际需要适当地调整 load factor 的值;如果程序比较关心空间开销、内存比较紧张,可以适当地增加负载因子;如果程序比较关心时间开销,内存比较宽裕则可以适当的减少负载因子。

通常情况下,程序员无需改变负载因子的值。

时间: 09-12

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