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HashMap实现原理
我欲只争朝夕
发布于 2023-11-9 11:55
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前言
HashMap的主干是一个数组，假设我们有3个键值对dnf:1，cf:2，lol:3，每次放的时候会根据hash函数来确定这个键值对应该放在数组的哪个位置，即index = hash(key)
1 = hash(dnf)，我们将键值对放在数组下标为1的位置
3 = hash(cf)
1 = hash(lol)，这时发现数组下标为1的位置已经有值了，我们就可以用链表的形式将这个键值对放到dnf键值对的下面
在获取key为lol的键值对时，1=hash(lol)，得到这个键值对在数组下标为1的位置，lol和dnf不相等，和下一个元素比较，相等返回
源码
基于jdk1.7.0_80，1.8和1.7相比 差不多，1.8只是多了一个新特性，当链表的长度>=8的时候，链表转换为红黑树提高查询的效率，1.7解读起来更容易
//放置的key-value对的个数
transient int size;
//HashMap的主干是一个Entry数组,在需要的时候进行扩容，长度必须是2的被数
transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
//进行扩容的阀值，值为 capacity * load factor，即容量 * 负载因子
int threshold;
//负载因子
final float loadFactor;各种默认参数不再细说，这里说一下threshold和loadFactor，
threshold = capacity * load factor，即扩容的阀值=容量*负载因子，
比如HashMap的容量为16，负载因子为0.75，则阀值为16*0.75=12，
当HashMap中放入12个元素时（size=12），就会进行扩容
1.负载因子越小，容易扩容，浪费空间，但查找效率高
2.负载因子越大，不易扩容，对空间的利用更加充分，查找效率低（链表拉长）
上述中的键值对是存放在一个静态的内部类中，即数组中存放的元素
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;//存储指向下一个Entry的引用，单链表结构
int hash;//对key的hashcode值进行hash运算后得到的值，存储在Entry，避免重复计算
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
value = v;
next = n;
key = k;
hash = h;
}
}构造函数只做2件事，初始化数组大小和负载因子，要么自己指定，有么用默认值，可能有人会说threshold是扩容阀值不是数组的长度啊，我们一会细说，（代码省去一部分校验内容）
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
this.loadFactor = loadFactor;
threshold = initialCapacity;
}put操作
public V put(K key, V value) {
//hashmap的数组={}
if (table == EMPTY_TABLE) {
inflateTable(threshold);
}
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//获取hash值
int hash = hash(key);
//找到应该放到table的哪个位置
int i = indexFor(hash, table.length);
//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oldValue,并返回oldValue
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果key已经存在，将value设置为新的，并返回旧的value值
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
//将元素放到table[i]，新的元素总在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}这里面试一般会问到为什么HashMap不能存放2个key相等的元素，因为放置key相等的元素时，新值会替换旧值，并且返回旧值
这里我们分析inflateTable，putForNullKey，addEntry方法，hash方法不进行分析，indexFor方法最后进行分析
传入的参数是构造函数初始化的threshold，将数组的长度变为>=size，并且是2的倍数的长度，这样即使初始化数组长度不是2的倍数，也会在第一次放值时变为2的倍数，并且对threshold重新设值
private void inflateTable(int toSize) {
//返回大于或等于最接近2的幂数
int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
table = new Entry[capacity];
initHashSeedAsNeeded(capacity);
}若key为null，则将值放在table[0]这个链上，这样key为null的时候直接从table[0]处取值即可
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;
}这里需要注意一下扩容的时机和扩容的大小，以后会和Hashtable，ConcurrentHashMap进行比较
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
//容量超过阈值，并且即将发生哈希冲突时进行扩容
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
//扩容为原来的2倍
resize(2 * table.length);
//重新计算hash值
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}将新增加的元素放到链表的第一位，并且将其他元素跟在第一个元素后面，即头插法
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++;
}get方法
public V get(Object key) {
if (key == null)
return getForNullKey();
Entry<K,V> entry = getEntry(key);
return null == entry ? null : entry.getValue();
}从table[0]初获取key为null的值
private V getForNullKey() {
if (size == 0) {
return null;
}
for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
if (e.key == null)
return e.value;
}
return null;
}key不为null时
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
if (size == 0) {
return null;
}
int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
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;
}HashMap的大小为什么是2的倍数
h是hashcode，length时数组长度，下面这个方法是根据hashcode求出对象在数组中放置的位置
static int indexFor(int h, int length) {
return h & (length-1);
}h & (length - 1) 等价于 h % length，我们假设数组的长度为15和16，hashcide为8和9
可以看出数组长度为15的时候，hash码为8和9的元素被放到数组中的同一个位置形成链表，键低了查询效率，当hahs码和15-1(1110)进行&时，最后一位永远是0，这样0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这些位置永远不会被放置元素，这样会导致1.空间浪费大，2.增加了碰撞的几率，减慢查询的效率。当数组长度为2的n次方时，2的n次方−1的所有位都是1，如8-1=7即111，那么进行低位&运算时，值总与原来的hash值相同，降低了碰撞的概率
文章转载自公众号：Java识堂
分类
已于2023-11-9 11:55:50修改
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