HashMap实现原理浅析

作者:懒惰的肥兔

出处:https://www.cnblogs.com/lzrabbit

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

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:capacity2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1,即:capacity2+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

除了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(capactiyfactor)时,则进行扩容,是table数组长度变为table.length2。

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 valueint 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.length2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.length2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。

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 == nullreturn;
        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 == nullreturn 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 == nullreturn;
        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 == nullreturn 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:%snn", 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;
    }
}

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