[Java基础要义] HashMap的设计原理和实现分析

HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位，每一个Java程序员都应该了解HashMap。

本文主要从源码角度来解析HashMap的设计思路，并且详细地阐述HashMap中的几个概念，并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节，讨论HashMap的性能问题，并且在文中贯穿着一些关于HashMap常见问题的讨论。

读完本文，你会了解到：

1. HashMap的设计思路和内部结构组成

2. HashMap中的一些概念：什么是阀值？为什么会有阀值？什么是加载因子？它们有什么作用？

3. HashMap的性能问题以及使用事项

4. HashMap的源码实现解析

5. 为什么JDK建议我们重写Object.equals(Object obj)方法时，需要保证对象可以返回相同的hashcode值？

1. HashMap设计思路以及内部结构组成

HashMap 设计思路

Map<K,V> 是一种以 键值对 存储数据的容器，而 HashMap 则是借助了键值 Key 的 hashcode 值来组织存储，使得可以非常快速和高效地地根据键值key进行数据的存取。

对于键值对 <Key,Value> ， HashMap 内部会将其封装成一个对应的 Entry<Key,Value> 对象，即 Entry<Key,Value> 对象是键值对 <Key,Value> 的组织形式；

对于每个对象而言，JVM都会为其生成一个 hashcode 值。 HashMap 在存储键值对 Entry<Key,Value> 的时候，会根据 Key 的 hashcode 值，以某种映射关系，决定应当将这对键值对 Entry<Key,Value> 存储在 HashMap 中的什么位置上；

当通过 Key 值取数据的时候，然后根据 Key 值的 hashcode ，以及内部映射条件，直接定位到 Key 对应的 Value 值存放在什么位置，可以非常高效地将 Value 值取出。

为了实现上述的设计思路，在 HashMap 内部，采用了数组+链表的形式来组织键值对 Entry<Key,Value> 。

HashMap 内部维护了一个 Entry[] table 数组，当我们使用 new HashMap() 创建一个 HashMap 时， Entry[] table 的默认长度为16。 Entry[] table 的长度又被称为这个 HashMap 的 容量（ capacity ） ；

对于 Entry[] table 的每一个元素而言，或为 null ，或为由若干个 Entry<Key,Value> 组成的链表。HashMap中 Entry<Key,Value> 的数目被称为 HashMap 的 大小( size ) ;

Entry[] table 中的某一个元素及其对应的 Entry<Key,Value> 又被称为 桶( bucket ) ;

其结构如下图所示：

HashMap内部组织结构由上图所示，现在来看一下HashMap的基本工作流程：

2. 什么是阀值？为什么会有阀值？什么是加载因子？它们有什么作用？

HashMap 设计的初衷，是为了尽可能地迅速根据 Key 的 hashCode 值, 直接就可以定位到对应的 Entry<Key,Value> 对象，然后得到 Value 。

请读者考虑这样一个问题：

当我们使用 HashMap map = new HashMap() 语句时，我们会创建一个 HashMap 对象，它内部的 Entry[] table 的大小为16，我们假定 Entry[] table 的大小会改变。现在，我们现在向它添加160对 Key 值完全不同的键值对 <Key,Value> ，那么，该 HashMap 内部有可能下面这种情况：即对于每一个桶中的由 Entry<Key,Value> 组成的链表的长度会非常地长！我们知道，对于查找链表操作的时间复杂度是很高的，为O(n) 。这样的一个 HashMap 的性能会很低很低，如下图所示：

现在再来分析一下这个问题，当前的 HashMap 能够实现：

1. 根据 Key 的 hashCode ，可以直接定位到存储这个 Entry<Key,Value> 的桶所在的位置，这个时间的复杂度为O(1)；

2. 在桶中查找对应的 Entry<Key,Value> 对象节点，需要遍历这个桶的 Entry<Key,Value> 链表， 时间复杂度为O(n);

那么，现在，我们应该尽可能地将第2个问题的时间复杂度 o(n) 降到最低，读者现在是不是有想法了：我们应该要求桶中的链表的长度越短越好！桶中链表的长度越短，所消耗的查找时间就越低，最好就是一个桶中就一个 Entry<Key,Value> 对象节点就好了！

这样一来，桶中的 Entry<Key,Value> 对象节点要求尽可能第少，这就要求， HashMap 中的桶的数量要多了。

我们知道， HashMap 的桶数目，即 Entry[] table 数组的长度，由于数组是内存中连续的存储单元，它的空间代价是很大的，但是它的随机存取的速度是Java集合中最快的。我们增大桶的数量，而减少 Entry<Key,Value> 链表的长度，来提高从 HashMap 中读取数据的速度。这是典型的拿空间换时间的策略。

但是我们不能刚开始就给 HashMap 分配过多的桶(即Entry[] table 数组起始不能太大)，这是因为数组是连续的内存空间，它的创建代价很大，况且我们不能确定给 HashMap 分配这么大的空间，它实际到底能够用多少，为了解决这一个问题， HashMap 采用了根据实际的情况，动态地分配桶的数量。

HashMap 的权衡策略

要动态分配桶的数量，这就要求要有一个权衡的策略了， HashMap 的权衡策略是这样的：

如果

HashMap 的大小 > HashMap 的容量(即Entry[] table的大小) * 加载因子(经验值0.75)

则

HashMap 中的Entry[] table 的容量扩充为当前的一倍；

然后重新将以前桶中的Entry<Key,Value>链表重新分配到各个桶中

上述的 HashMap的容量(即Entry[] table的大小) * 加载因子(经验值0.75)就是所谓的阀值 ( threshold ) ：

最后，请读者看一个实例：

默认创建的 HashMap map =new HashMap(); map 的容量是16，那么，当我们往 map 中添加第几个完全不同的键值对 <Key,Value> 时， HashMap 的容量会扩充呢？

呵呵，很简单的计算：由于默认的加载因子是0.75，那么，此时 map 的阀值是 16*0.75 = 12 ，即添加第13个键值对 <Key,Value> 的时候， map 的容量会扩充一倍。

这时候读者可能会有疑问：本来 Entry[] table 的容量是16，当放入12个键值对 <Key,Value> 后，不是至少还剩下 4 个Entry[] table 元素没有被使用到吗？这不是浪费了宝贵的空间了吗？！确实如此，但是为了尽可能第减少桶中的Entry<Key,Value>链表的长度，以提高HashMap的存取性能，确定的这个经验值。如果读者你对存取效率要求的不是太高，想省点空间的话，你可以 new HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 构造方法将这个因子设置得大一些也无妨。

2. HashMap的算法实现解析

HashMap的算法实现最重要的两个是put() 和get() 两个方法，下面我将分析这两个方法：

public V put(K key, V value);
public V get(Object key);

另外，HashMap支持Key值为null 的情况，我也将详细地讨论这个问题。

1 . 向HashMap中存储一对键值对 <Key,Value> 流程---put()方法实现：

put()方法-向HashMap存储键值对<Key,Value>

a. 获取这个Key的hashcode值，根据此值确定应该将这一对键值对存放在哪一个桶中，即确定要存放桶的索引；

b. 遍历所在桶中的Entry<Key,Value>链表，查找其中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry<Key,Value>对象，

c1. 若已存在，定位到对应的Entry<Key,Value>,其中的Value值更新为新的Value值；返回旧值；

c2. 若不存在，则根据键值对<Key,Value> 创建一个新的Entry<Key,Value>对象，然后添加到这个桶的Entry<Key,Value>链表的头部。

d. 当前的HashMap的大小(即Entry<key,Value>节点的数目)是否超过了阀值，若超过了阀值(threshold)，则增大 HashMap的容量(即Entry[] table 的大小)，并且重新组织内部各个Entry<Key,Value>排列。

详细流程如下列的代码所示：

/**
   * 将<Key,Value>键值对存到HashMap中，如果Key在HashMap中已经存在，那么最终返回被替换掉的Value值。
   * Key 和Value允许为空
   */
  public V put(K key, V value) {
    
    //1.如果key为null，那么将此value放置到table[0],即第一个桶中
    if (key == null)
      return putForNullKey(value);
    //2.重新计算hashcode值，
    int hash = hash(key.hashCode());
    //3.计算当前hashcode值应当被分配到哪一个桶中，获取桶的索引
    int i = indexFor(hash, table.length);
    //4.循环遍历该桶中的Entry列表
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
      Object k;
      //5. 查找Entry<Key,Value>链表中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry<Key,Value>对象,
      //已经存在,则将Value值覆盖到对应的Entry<Key,Value>对象节点上
      if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {//请读者注意这个判定条件，非常重要！！！
        V oldValue = e.value;
        e.value = value;
        e.recordAccess(this);
        return oldValue;
      }
    }
    modCount++;
    //6不存在，则根据键值对<Key,Value> 创建一个新的Entry<Key,Value>对象，然后添加到这个桶的Entry<Key,Value>链表的头部。
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
  }

  /**
   * Key 为null,则将Entry<null,Value>放置到第一桶table[0]中
   */
  private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
      if (e.key == null) {
        V oldValue = e.value;
        e.value = value;
        e.recordAccess(this);
        return oldValue;
      }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
  }

/**
   * 根据特定的hashcode 重新计算hash值，
   * 由于JVM生成的的hashcode的低字节(lower bits)冲突概率大，（JDK只是这么一说，至于为什么我也不清楚）
   * 为了提高性能，HashMap对Key的hashcode再加工，取Key的hashcode的高字节参与运算
   */
  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);
  }

  /**
   * 返回此hashcode应当分配到的桶的索引
   */
  static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
  }

当HashMap的大小大于阀值时，HashMap容量的扩充算法

当当前的HashMap的大小大于阀值时，HashMap会对此HashMap的容量进行扩充，即对内部的Entry[] table 数组进行扩充。

HashMap对容量（Entry[] table数组长度）有两点要求：

1. 容量的大小应当是 2的N次幂；

2. 当容量大小超过阀值时，容量扩充为当前的一倍；

这里第2点很重要,如果当前的HashMap的容量为16，需要扩充时，容量就要变成16*2 = 32,接着就是32*2=64、64*2=128、128*2=256.........可以看出，容量扩充的大小是呈指数级的级别递增的。

这里容量扩充的操作可以分为以下几个步骤：

1. 申请一个新的、大小为当前容量两倍的数组；

2. 将旧数组的Entry[] table中的链表重新计算hash值，然后重新均匀地放置到新的扩充数组中；

3. 释放旧的数组；

由上述的容量扩充的步骤来看，一次容量扩充的代价非常大，所以在容量扩充时，扩充的比例为当前的一倍，这样做是尽量减少容量扩充的次数。

为了提高HashMap的性能：

1.在使用HashMap的过程中，你比较明确它要容纳多少Entry<Key,Value>，你应该在创建HashMap的时候直接指定它的容量；

2. 如果你确定HashMap的使用的过程中，大小会非常大，那么你应该控制好加载因子的大小，尽量将它设置得大些。避免Entry[] table过大，而利用率觉很低。

/**
   * Rehashes the contents of this map into a new array with a
   * larger capacity.  This method is called automatically when the
   * number of keys in this map reaches its threshold.
   *
   * If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not
   * resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.
   * This has the effect of preventing future calls.
   *
   * @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;
   *		must be greater than current capacity unless current
   *		capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value
   *		is irrelevant).
   */
  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);
  }
  
  /**
   * Transfers all entries from current table to newTable.
   */
  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;
          int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
          e.next = newTable[i];
          newTable[i] = e;
          e = next;
        } while (e != null);
      }
    }
  }

为什么JDK建议我们重写Object.equals(Object obj)方法时，需要保证对象可以返回相同的hashcode值？

Java程序员都看过JDK的API文档，该文档关于Object.equals(Object obj)方法，有这样的描述：

“ 注意：当此方法被重写时，通常有必要重写 hashCode 方法，以维护 hashCode 方法的常规协定，该协定声明相等对象必须具有相等的哈希码。 ”

读者虽然知道这个协定，但是不一定真正知道为什么会有这一个要求，现在，就来看看原因吧。

请读者再注意看一下上述的额put()方法实现，当遍历某个桶中的Entry<Key,Value>链表来查找Entry实例的过程中所使用的判断条件：

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
  Object k;
  //5. 查找Entry<Key,Value>链表中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry<Key,Value>对象,
  //已经存在,则将Value值覆盖到对应的Entry<Key,Value>对象节点上
  if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
      V oldValue = e.value;
      e.value = value;
      e.recordAccess(this);
      return oldValue;
  }
        }

对于给定的Key,Value，判断该Key是否与Entry链表中有某一个Entry对象的Key值相等使用的是 (k==e.key)==key) || key.equals(k)，另外还有一个判断条件：即Key经过hash函数转换后的hash值和当前Entry对象的hash属性值相等（该hash 属性值和Entry内的Key经过hash方法转换后的hash值相等）。

上述的情况我们可以总结为；HashMap在确定Key是否在HashMap中存在的要求有两个：

1. Key值是否相等；

2. hashcode是否相等；

所以我们在定义类时，如果重写了equals()方法，但是hashcode却没有保证相等，就会导致当使用该类实例作为Key值放入HashMap中，会出现HashMap“工作异常”的问题，会出现你不希望的情况。下面让我们通过一个例子来看看这个“工作异常”情况：

例子：定义一个简单Employee类，重写equals方法，而没有重写hashCode()方法。然后使用该类创建两个实例，放置到一个HashMap中：

package com.louis.hashlearning;

/**
 * 简单Employee Bean，重写equals方法,未重写hashCode()方法
 * @author louluan
 */
public class Employee {
  
  private String employeeCode;
  private String name;
  
  public Employee(String employeeCode, String name) {
    this.employeeCode = employeeCode;
    this.name = name;
  }
  
  public String getEmployeeCode() {
    return employeeCode;
  }
  public String getName() {
    return name;
  }
  
  @Override
  public boolean equals(Object o)
  {
    if(o instanceof Employee)
    {
      Employee e = (Employee)o;
      if(this.employeeCode.equals(e.getEmployeeCode()) && name.equals(e.getName()))
      {
        return true;
      }
    }
    return false;
  }
}

package com.louis.hashlearning;
import java.util.HashMap;

public class Test {
  
  public static void main(String[] args) {
    Employee em1= new Employee("123","louis");
    Employee em2= new Employee("123","louis");
    boolean equals= em1.equals(em2);
    System.out.println("em1 equals em2 ? " +equals);
    
    HashMap map = new HashMap();
    map.put(em1, "test1");
    map.put(em2, "test2");
    System.out.println("map size:"+map.size());
  }

}

输出结果：

结果分析：

上述的例子中，我们使用了new Employee("123","louis"); 语句创建了两个完全一样的对象em1,em2，对我们来说，它们就是相同的对象，然后，我们将这两个我们认为相等的对象作为Key值放入HashMap 中，我们想要的结果是：HashMap中的Entry<Key,Value>键值对数目应该就一个，并且Entry对象的Value值应该是由"test1" 替换成"test2",但是实际的结果是：HashMap的大小为2，即HashMap中有两个Entry<Key,Value>键值对！！！

原因现在读者清晰了：因为em1和em2对象的hashCode()继承自Object，它们返回两个不同的值，即em1 和em2的hashcode值不相同。

从上面的这个例子可以看出：

我们重写Object.equals(Object obj)方法时，需要保证对象可以返回相同的hashcode 。否则，HashMap工作的时候会有不可控的异常情况出现。

2. get() 方法的实现：

根据特定的Key值从HashMap中取Value的结果就比较简单了：

get()方法-根据Key从HashMap中取Value

a. 获取这个Key的hashcode值，根据此hashcode值决定应该从哪一个桶中查找；

b. 遍历所在桶中的Entry<Key,Value>链表，查找其中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry<Key,Value>对象，

c1. 若已存在，定位到对应的Entry<Key,Value>,返回value

c2. 若不存在，返回null；

具体算法如下：

/**
  * Returns the value to which the specified key is mapped,
  * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
  *  返回key对应的Value值，如果HashMap中没有，则返回null；
  *  支持Key为null情况
  * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
  * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
  * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
  * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.)
  *
  * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
  * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
  * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
  * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
  * distinguish these two cases.
  *
  * @see #put(Object, Object)
  */
    public V get(Object key) {
     if (key == null)
      return getForNullKey();
     int hash = hash(key.hashCode());
     //遍历列表
     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.HashMap对Key为null情况的支持

HashMap允许Key以null的形式存取，Hashmap会将Key为null组成的Entry<null,Value>放置到table[0],即第一个桶中，在put()和get()操作时，会先对Key 为null的值特殊处理：

/**
  * Offloaded version of get() to look up null keys.  Null keys map
  * to index 0.  This null case is split out into separate methods
  * for the sake of performance in the two most commonly used
  * operations (get and put), but incorporated with conditionals in
  * others.
  * get 操作
  */
    private V getForNullKey() {
     for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
      if (e.key == null)
       return e.value;
     }
     return null;
    }

/**
   * Key 为null,则将Entry<null,Value>放置到第一桶table[0]中
   */
  private V putForNullKey(V value) {
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
      if (e.key == null) {
        V oldValue = e.value;
        e.value = value;
        e.recordAccess(this);
        return oldValue;
      }
    }
    modCount++;
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
  }

4. 键值对Entry<Key,Value>的移除----remove(key)方法的实现

根据key值移除键值对的操作也比较简单，内部关键的流程分为两个：

1. 根据Key的hashcode 值和Key定位到Entry<key,Value> 对象在HashMap中的位置；

2. 由于Entry<Key,Value>是一个链表元素，之后便是链表删除节点的操作了；

/**
   * Removes the mapping for the specified key from this map if present.
   *
   * @param  key key whose mapping is to be removed from the map
   * @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 remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
  }

  /**
   * Removes and returns the entry associated with the specified key
   * in the HashMap.  Returns null if the HashMap contains no mapping
   * for this key.
   */
  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;
  }

4. HashMap的特点总结：

1. HashMap是线程不安全的，如果想使用线程安全的,可以使用Hashtable；它提供的功能和Hashmap基本一致。HashMap实际上是一个Hashtable的轻量级实现；

2. 允许以Key为null的形式存储<null,Value>键值对；

3. HashMap的查找效率非常高，因为它使用Hash表对进行查找，可直接定位到Key值所在的桶中；

4. 使用HashMap时，要注意HashMap容量和加载因子的关系，这将直接影响到HashMap的性能问题。加载因子过小，会提高HashMap的查找效率，但同时也消耗了大量的内存空间，加载因子过大，节省了空间，但是会导致HashMap的查找效率降低。

posted @ 2016-03-16 15:19 Q_Quan 阅读(227) 评论(0) 收藏举报

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