通过java HashMap的存取方式来学习Hash存储机制
最近重新开始看一遍java基础，从源码读起，坚持把自己在阅读中的总结分享上来。下面是HashMap的一些总结。
HashMap的构造方法：
无参构造方法:会使用默认的初始容量和加载因子初始化map,默认初始化大小是16，加载因子0.75f
当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时，则要对该哈希表进行 rehash 操作（即重建内部数据结构），从而哈希表将具有大约两倍的桶数。
/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
public HashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
自定义初始化大小
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and the default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity the initial capacity.
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative.
*/
public HashMap(int initialCapacity) {
this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
自定义初始化大小和加载因子
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
* capacity and load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity
* @param loadFactor the load factor
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
* or the load factor is nonpositive
*/
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
initialCapacity);
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
loadFactor);
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
init();
}
总结：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。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，无需改变负载因子的值。
HashMap最常用的put方法，代码如下：
/**
* 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) {
//如果数组为空,初始化
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
//如果key为空，则调用putForNullKey进行处理
if (key == null)
return putForNullKey(value);
int hash = hash(key);//计算key的hashcode值
int i = indexFor(hash, table.length);//计算key在hash表中的索引，此处的table是一个Entry<k,v>数组
//遍历数组，比较Entry是否一致（hash值相等，即在hash表中的同一位置），并且key值相等，则直接用新的value替换旧的value并返回value，key值不用替换。如果不满足条件，则将key和value添加到i索引处
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;
}
}
modCount++;
//将key和value添加到i索引处
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
上面的put方法中用到了一个重要的内部类HashMap$Entry,每个 Entry 其实就是一个 key-value 对。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。当决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可,Entry源码如下：
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;//key值
V value;//value值
Entry<K,V> next;//Entry链指向
int hash;//key的hash值
/**
* Creates new entry.
*/
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
public final K getKey() {
return key;
}
public final V getValue() {
return value;
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (!(o instanceof Map.Entry))
return false;
Map.Entry e = (Map.Entry)o;
Object k1 = getKey();
Object k2 = e.getKey();
if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
Object v1 = getValue();
Object v2 = e.getValue();
if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
return true;
}
return false;
}
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
}
public final String toString() {
return getKey() + "=" + getValue();
}
/**
* This method is invoked whenever the value in an entry is
* overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that's already
* in the HashMap.
*/
void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
}
/**
* This method is invoked whenever the entry is
* removed from the table.
*/
void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
}
}
put方法中调用了一个计算Hash码的方法hash()来返回key的哈希码，这个方法是一个纯粹的数学计算，其方法如下：
final int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// 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);
}
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：
//h为key的hash值，length为数组的长度
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，这一点可参看前面关于HashMap构造器的介绍。
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。
从put 方法的源代码可以看出，当程序试图将一个 key-value 对放入 HashMap 中时，程序首先根据该 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置：如果两个 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它们的存储位置相同。存储位置相同会分为两种情况：
（1）.如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 true，新添加 Entry 的 value 将覆盖集合中原有 Entry 的 value，但 key 不会覆盖。
（2）.如果这两个 Entry 的 key 通过 equals 比较返回 false，新添加的 Entry 将与集合中原有 Entry 形成 Entry 链，而且新添加的 Entry 位于 Entry 链的头部——具体说明继续看 addEntry() 方法的说明。
存储位置不同，则将key和value直接添加到i索引处。
addEntyr方法，源码如下：
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//如果容量大于阈值，并且索引bucketIndex处的元素不为空
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);//扩容为原来数组长度的两倍
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;//重新计算key的hash值
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);//重新计算元素在新table中的索引
}
//创建新的entry对象并放到table的bucketIndex索引处，并让新的entry指向原来的entry
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
size++;
}
上面createEntry方法包含了一个非常优雅的设计：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，上面程序 e 变量是 null，也就是新放入的 Entry 对象指向 null，也就是Entry内部类中的next属性为null，也就是没有产生 Entry 链。,可以对比Entry类看。
解释几个名词：
桶：对 于 HashMap 及其子类而言，它们采用 Hash 算法来决定集合中元素的存储位置。当开始初始化 HashMap 时，会创建一个长度为 capacity 的 Entry 数组，这个数组里可以存储元素的位置被称为“桶（bucket）”，每个 bucket 都有其指定索引，系统可以根据其索引快速访问该 bucket 里存储的元素。
Entry链：无论何时，HashMap 的每个“桶”只存储一个元素（也就是一个 Entry），由于 Entry 对象可以包含一个引用变量（就是 Entry 构造器的的最后一个参数next）用于指向下一个 Entry，因此可能出现的情况是：HashMap 的 bucket 中只有一个 Entry，但这个 Entry 指向另一个 Entry ——这就形成了一个 Entry 链。下图为我简单的画了一个HashMap的存储结构：
HashMap存储结构图
HashMap最常用的get方法，源码如下：
public V get(Object key) {
//如果key为null，则调用getForNullKey获得value
if (key == null)
return getForNullKey();
//否则调用getEntry方法
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
//计算key的hash值
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
//直接通过key的hash值获取该Entry在数组中的下标，从而获取该Entry对象并遍历entry链，直到找到相等的key，然后取出该key对应的value。
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;
}
从上面代码中可以看出，如果 HashMap 的每个 bucket 里只有一个 Entry 时，HashMap 可以根据索引、快速地取出该 bucket 里的 Entry；在发生“Hash 冲突”的情况下，单个 bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，只能按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端（该 Entry 是最早放入该 bucket 中），那必须循环到最后才能找到该元素。所以，当 HashMap 的每个 bucket 里存储的 Entry 只是单个 Entry ，也就是没有通过指针产生 Entry 链时，此时的 HashMap 具有最好的性能：当程序通过 key 取出对应 value 时，只要先计算出该 key 的 hashCode() 返回值，在根据该 hashCode 返回值找出该 key 在 table 数组中的索引，然后取出该索引处的 Entry，最后返回该 key 对应的 value 即可。
由最代码官方编辑于2016-10-28 9:35:02
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