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java 中HashMap實現原理深入理解

 更新時間:2017年03月27日 11:33:53   作者:AlphaWang  
這篇文章主要介紹了java 中HashMap實現原理深入理解的相關資料,需要的朋友可以參考下

1. HashMap的數據結構

數據結構中有數組和鏈表來實現對數據的存儲,但這兩者基本上是兩個極端。

      數組

數組存儲區(qū)間是連續(xù)的,占用內存嚴重,故空間復雜的很大。但數組的二分查找時間復雜度小,為O(1);數組的特點是:尋址容易,插入和刪除困難;

鏈表

鏈表存儲區(qū)間離散,占用內存比較寬松,故空間復雜度很小,但時間復雜度很大,達O(N)。鏈表的特點是:尋址困難,插入和刪除容易。

哈希表

那么我們能不能綜合兩者的特性,做出一種尋址容易,插入刪除也容易的數據結構?答案是肯定的,這就是我們要提起的哈希表。哈希表((Hash table)既滿足了數據的查找方便,同時不占用太多的內容空間,使用也十分方便。

  哈希表有多種不同的實現方法,我接下來解釋的是最常用的一種方法—— 拉鏈法,我們可以理解為“鏈表的數組” ,如圖:



  從上圖我們可以發(fā)現哈希表是由數組+鏈表組成的,一個長度為16的數組中,每個元素存儲的是一個鏈表的頭結點。那么這些元素是按照什么樣的規(guī)則存儲到數組中呢。一般情況是通過hash(key)%len獲得,也就是元素的key的哈希值對數組長度取模得到。比如上述哈希表中,12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存儲在數組下標為12的位置。

  HashMap其實也是一個線性的數組實現的,所以可以理解為其存儲數據的容器就是一個線性數組。這可能讓我們很不解,一個線性的數組怎么實現按鍵值對來存取數據呢?這里HashMap有做一些處理。

  首先HashMap里面實現一個靜態(tài)內部類Entry,其重要的屬性有key , value, next,從屬性key,value我們就能很明顯的看出來Entry就是HashMap鍵值對實現的一個基礎bean,我們上面說到HashMap的基礎就是一個線性數組,這個數組就是Entry[],Map里面的內容都保存在Entry[]里面。

 /**

   * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.

   */
    transient Entry[] table;

2. HashMap的存取實現

     既然是線性數組,為什么能隨機存???這里HashMap用了一個小算法,大致是這樣實現:

// 存儲時:
int hash = key.hashCode(); // 這個hashCode方法這里不詳述,只要理解每個key的hash是一個固定的int值
int index = hash % Entry[].length;
Entry[index] = value;

// 取值時:
int hash = key.hashCode();
int index = hash % Entry[].length;
return Entry[index];

1)put

疑問:如果兩個key通過hash%Entry[].length得到的index相同,會不會有覆蓋的危險?

  這里HashMap里面用到鏈式數據結構的一個概念。上面我們提到過Entry類里面有一個next屬性,作用是指向下一個Entry。打個比方, 第一個鍵值對A進來,通過計算其key的hash得到的index=0,記做:Entry[0] = A。一會后又進來一個鍵值對B,通過計算其index也等于0,現在怎么辦?HashMap會這樣做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又進來C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C;這樣我們發(fā)現index=0的地方其實存取了A,B,C三個鍵值對,他們通過next這個屬性鏈接在一起。所以疑問不用擔心。也就是說數組中存儲的是最后插入的元素。到這里為止,HashMap的大致實現,我們應該已經清楚了。

 public V put(K key, V value) {

    if (key == null)

      return putForNullKey(value); //null總是放在數組的第一個鏈表中

    int hash = hash(key.hashCode());

    int i = indexFor(hash, table.length);

    //遍歷鏈表

    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {

      Object k;

      //如果key在鏈表中已存在,則替換為新value

      if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

        V oldValue = e.value;

        e.value = value;

        e.recordAccess(this);

        return oldValue;

      }

    }

 

    modCount++;

    addEntry(hash, key, value, i);

    return null;

  }

 void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

  Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

  table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);//參數e, 是Entry.next

  //如果size超過threshold,則擴充table大小。再散列

  if (size++ >= threshold)

      resize(2 * table.length);

}

  當然HashMap里面也包含一些優(yōu)化方面的實現,這里也說一下。比如:Entry[]的長度一定后,隨著map里面數據的越來越長,這樣同一個index的鏈就會很長,會不會影響性能?HashMap里面設置一個因子,隨著map的size越來越大,Entry[]會以一定的規(guī)則加長長度。

2)get

public V get(Object key) {

    if (key == null)

      return getForNullKey();

    int hash = hash(key.hashCode());

    //先定位到數組元素,再遍歷該元素處的鏈表

    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)null key的存取

null key總是存放在Entry[]數組的第一個元素。

 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;

  }

 


  private V getForNullKey() {

    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {

      if (e.key == null)

        return e.value;

    }

    return null;

  } 

 4)確定數組index:hashcode % table.length取模

HashMap存取時,都需要計算當前key應該對應Entry[]數組哪個元素,即計算數組下標;算法如下:

 /**

   * Returns index for hash code h.

   */

  static int indexFor(int h, int length) {

    return h & (length-1);

  }

按位取并,作用上相當于取模mod或者取余%。

這意味著數組下標相同,并不表示hashCode相同。

5)table初始大小


 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {

    ..... 


    // Find a power of 2 >= initialCapacity 

    int capacity = 1;

    while (capacity < initialCapacity)

      capacity <<= 1;


    this.loadFactor = loadFactor;

    threshold = (int)(capacity * loadFactor);

    table = new Entry[capacity];

    init();

  }

 

注意table初始大小并不是構造函數中的initialCapacity?。?/strong>

而是 >= initialCapacity的2的n次冪?。。?!

————為什么這么設計呢?——

3. 解決hash沖突的辦法開放定址法(線性探測再散列,二次探測再散列,偽隨機探測再散列) 再哈希法 鏈地址法 建立一個公共溢出區(qū)

Java中hashmap的解決辦法就是采用的鏈地址法。

4. 再散列rehash過程

當哈希表的容量超過默認容量時,必須調整table的大小。當容量已經達到最大可能值時,那么該方法就將容量調整到Integer.MAX_VALUE返回,這時,需要創(chuàng)建一張新表,將原表的映射到新表中。

  /**

   * 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;

          //重新計算index

          int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

          e.next = newTable[i];

          newTable[i] = e;

          e = next;

        } while (e != null);

      }

    }

  }

感謝閱讀,希望能幫助到大家,謝謝大家對本站的支持!

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