hashmap实现原理浅析

看了下JAVA里面有HashMap、Hashtable、HashSet三种hash集合的实现源码,这里总结下,理解错误的地方还望指正

HashMap和Hashtable的区别

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap的简化实现MyHashMap

 

HashMap和Hashtable的区别

  1. 两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全
    Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理
  2. HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key
    虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事
    HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上
  3. HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类
  4. HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75
    HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1
  5. 两者计算hash的方法不同
    Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模
    int hash = key.hashCode();
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

    HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸

    static int hash(int h) {
            // This function ensures that hashCodes that differ only by
            // constant multiples at each bit position have a bounded
            // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
            h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
            return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
        }
    
     static int indexFor(int h, int length) {
            return h & (length-1);
        }

     

  6. HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

除开HashMap和Hashtable外,还有一个hash集合HashSet,有所区别的是HashSet不是key value结构,仅仅是存储不重复的元素,相当于简化版的HashMap,只是包含HashMap中的key而已

通过查看源码也证实了这一点,HashSet内部就是使用HashMap实现,只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已,因此HashSet也是非线程安全的,至于HashSet和Hashtable的区别,HashSet就是个简化的HashMap的,所以你懂的
下面是HashSet几个主要方法的实现

  private transient HashMap<E,Object> map;
private static final Object PRESENT = new Object();
public HashSet() { map = new HashMap<E,Object>(); } public boolean contains(Object o) { return map.containsKey(o); } public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null; } public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null; } public boolean remove(Object o) { return map.remove(o)==PRESENT; } public void clear() { map.clear(); }

 

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的,这点上完全一致

添加、删除、获取元素时都是先计算hash,根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标,然后进行相应操作,下面以HashMap为例说明下它的简单实现

  /**
     * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量,可以认为是int的最大值    
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 默认的加载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用来存储数据的数组
     */
    transient Entry[] table;
  • HashMap的创建
    HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组,默认加载因子为0.75,同时设置临界值为16*0.75
        /**
         * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
         * (16) and the default load factor (0.75).
         */
        public HashMap() {
            this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
            threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
            table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
            init();
        }

     

  • put方法
    HashMap会对null值key进行特殊处理,总是放到table[0]位置
    put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后将key放到table[index]位置,当table[index]已存在其它元素时,会在table[index]位置形成一个链表,将新添加的元素放在table[index],原来的元素通过Entry的next进行链接,这样以链表形式解决hash冲突问题,当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时,则进行扩容,是table数组长度变为table.length*2
  •  public V put(K key, V value) {
            if (key == null)
                return putForNullKey(value); //处理null值
            int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
            int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
        //遍历table[i]位置的链表,查找相同的key,若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue
            for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
                Object k;
                if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                    V oldValue = e.value;
                    e.value = value;
                    e.recordAccess(this);
                    return oldValue;
                }
            }
        //若没有在table[i]位置找到相同的key,则添加key到table[i]位置,新的元素总是在table[i]位置的第一个元素,原来的元素后移
            modCount++;
            addEntry(hash, key, value, i);
            return null;
        }
    
      
        void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        //添加key到table[bucketIndex]位置,新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素,原来的元素后移
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
            table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
        //判断元素个数是否达到了临界值,若已达到临界值则扩容,table长度翻倍
            if (size++ >= threshold)
                resize(2 * table.length);
        }

     

  • get方法
    同样当key为null时会进行特殊处理,在table[0]的链表上查找key为null的元素
    get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后遍历table[index]上的链表,直到找到key,然后返回
    public V get(Object key) {
            if (key == null)
                return getForNullKey();//处理null值
            int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
        //在table[index]遍历查找key,若找到则返回value,找不到返回null
            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;
        }

     

  • remove方法
    remove方法和put get类似,计算hash,计算index,然后遍历查找,将找到的元素从table[index]链表移除
        public V remove(Object key) {
            Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
            return (e == null ? null : e.value);
        }
        final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
            int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
            int i = indexFor(hash, table.length);
            Entry<K,V> prev = table[i];
            Entry<K,V> e = prev;
    
            while (e != null) {
                Entry<K,V> next = e.next;
                Object k;
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                    modCount++;
                    size--;
                    if (prev == e)
                        table[i] = next;
                    else
                        prev.next = next;
                    e.recordRemoval(this);
                    return e;
                }
                prev = e;
                e = next;
            }
    
            return e;
        }

     

  • resize方法
    resize方法在hashmap中并没有公开,这个方法实现了非常重要的hashmap扩容,具体过程为:先创建一个容量为table.length*2的新table,修改临界值,然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面
    这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index,而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置
    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);
        }
    
        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;
    //重新对每个元素计算index
    int i = indexFor(e.hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; } while (e != null); } } }

     

  • clear()方法
    clear方法非常简单,就是遍历table然后把每个位置置为null,同时修改元素个数为0
    需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素,并不会重置capactiy
     public void clear() {
            modCount++;
            Entry[] tab = table;
            for (int i = 0; i < tab.length; i++)
                tab[i] = null;
            size = 0;
        }

     

  • containsKey和containsValue
    containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值
    public boolean containsKey(Object key) {
            return getEntry(key) != null;
        }
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
            int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k))))
                    return e;
            }
            return null;
        }

    containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value,由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别,你别指望它会像containsKey那么高效

    public boolean containsValue(Object value) {
        if (value == null)
                return containsNullValue();
    
        Entry[] tab = table;
            for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
                for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                    if (value.equals(e.value))
                        return true;
        return false;
        }

     

  • hash和indexFor
    indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length,用于计算index也就是在table数组中的下标
    hash方法是对hashcode进行二次散列,以获得更好的散列值
    为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换
    int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
    int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
    //上面这两行可以这样简化
    int i = key.key.hashCode()%table.length;

     

  •   static int hash(int h) {
            // This function ensures that hashCodes that differ only by
            // constant multiples at each bit position have a bounded
            // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
            h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
            return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
        }
    
    
        static int indexFor(int h, int length) {
            return h & (length-1);
        }

     

HashMap的简化实现MyHashMap

为了加深理解,我个人实现了一个简化版本的HashMap,注意哦,仅仅是简化版的功能并不完善,仅供参考

package cn.lzrabbit.structure;

/**
 * Created by rabbit on 14-5-4.
 */
public class MyHashMap {

    //默认初始化大小 16
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    //默认负载因子 0.75
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //临界值
    private int threshold;

    //元素个数
    private int size;

    //扩容次数
    private int resize;

    private HashEntry[] table;

    public MyHashMap() {
        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        size = 0;
    }

    private int index(Object key) {
        //根据key的hashcode和table长度取模计算key在table中的位置
        return key.hashCode() % table.length;
    }

    public void put(Object key, Object value) {
        //key为null时需要特殊处理,为简化实现忽略null值
        if (key == null) return;
        int index = index(key);

        //遍历index位置的entry,若找到重复key则更新对应entry的值,然后返回
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                entry.setValue(value);
                return;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        //若index位置没有entry或者未找到重复的key,则将新key添加到table的index位置
        add(index, key, value);
    }

    private void add(int index, Object key, Object value) {
        //将新的entry放到table的index位置第一个,若原来有值则以链表形式存放
        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);
        table[index] = entry;
        //判断size是否达到临界值,若已达到则进行扩容,将table的capacicy翻倍
        if (size++ >= threshold) {
            resize(table.length * 2);
        }
    }

    private void resize(int capacity) {
        if (capacity <= table.length) return;

        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];
        //遍历原table,将每个entry都重新计算hash放入newTable中
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            HashEntry old = table[i];
            while (old != null) {
                HashEntry next = old.getNext();
                int index = index(old.getKey());
                old.setNext(newTable[index]);
                newTable[index] = old;
                old = next;
            }
        }
        //用newTable替table
        table = newTable;
        //修改临界值
        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        resize++;
    }

    public Object get(Object key) {
        //这里简化处理,忽略null值
        if (key == null) return null;
        HashEntry entry = getEntry(key);
        return entry == null ? null : entry.getValue();
    }

    public HashEntry getEntry(Object key) {
        HashEntry entry = table[index(key)];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                return entry;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        return null;
    }

    public void remove(Object key) {
        if (key == null) return;
        int index = index(key);
        HashEntry pre = null;
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();
                else pre.setNext(entry.getNext());
                //如果成功找到并删除,修改size
                size--;
                return;
            }
            pre = entry;
            entry = entry.getNext();
        }
    }

    public boolean containsKey(Object key) {
        if (key == null) return false;
        return getEntry(key) != null;
    }

    public int size() {
        return this.size;
    }

    public void clear() {
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            table[i] = null;
        }
        this.size = 0;
    }


    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize));
        for (HashEntry entry : table) {
            while (entry != null) {
                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");
                entry = entry.getNext();
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}

class HashEntry {
    private final Object key;
    private Object value;
    private HashEntry next;

    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    public Object getKey() {
        return key;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(Object value) {
        this.value = value;
    }

    public HashEntry getNext() {
        return next;
    }

    public void setNext(HashEntry next) {
        this.next = next;
    }
}
MyHashMap

 

posted @ 2014-05-11 10:19 懒惰的肥兔 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏