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

HashMap实现原理-鸿蒙开发者社区

3 = hash(cf)

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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

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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

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//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;1.
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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;
   }
}1.
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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;
}1.
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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;
}1.
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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);
}1.
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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;
}1.
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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);
}1.
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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++;
}1.
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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();
}1.
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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;
}1.
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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;
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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);
}1.
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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

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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

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