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Java HashMap的工作原理(1)

24300 理论 | 2015-8-2

HashMap也是我们使用非常多的Collection,它是基于哈希表的 Map 接口的实现,以key-value的形式存在。在HashMap中,key-value总是会当做一个整体来处理,系统会根据hash算法来来计算key-value的存储位置,我们总是可以通过key快速地存、取value。

HashMap实现了Map接口,继承AbstractMap。其中Map接口定义了键映射到值的规则,而AbstractMap类提供 Map 接口的骨干实现,以最大限度地减少实现此接口所需的工作,其实AbstractMap类已经实现了Map。


public class HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable{}


HashMap提供了三个构造函数:

HashMap():构造一个具有默认初始容量 (16) 和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

HashMap(int initialCapacity):构造一个带指定初始容量和默认加载因子 (0.75) 的空 HashMap。

HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):构造一个带指定初始容量和加载因子的空 HashMap。

在这里提到了两个参数:初始容量,加载因子。这两个参数是影响HashMap性能的重要参数,其中容量表示哈希表中桶的数量,初始容量是创建哈希表时的容量,加载因子是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度,它衡量的是一个散列表的空间的使用程度,负载因子越大表示散列表的装填程度越高,反之愈小。对于使用链表法的散列表来说,查找一个元素的平均时间是O(1+a),因此如果负载因子越大,对空间的利用更充分,然而后果是查找效率的降低;如果负载因子太小,那么散列表的数据将过于稀疏,对空间造成严重浪费。系统默认负载因子为0.75,一般情况下我们是无需修改的。

HashMap是一种支持快速存取的数据结构,要了解它的性能必须要了解它的数据结构。


从一个例子开始,而不仅仅是从理论上,这样,有助于更好地理解,然后,我们来看下get和put到底是怎样工作的。

非常简单的例子。有一个”国家”(Country)类,我们将要用Country对象作为key,它的首都的名字(String类型)作为value。下面的例子有助于我们理解key-value对在HashMap中是如何存储的。


public class Country {
	String name;
	long population;
	public Country(String name, long population) {
		super();
		this.name = name;
		this.population = population;
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
	public long getPopulation() {
		return population;
	}
	public void setPopulation(long population) {
		this.population = population;
	}
	@Override
	public int hashCode() {
		if (this.name.length() % 2 == 0)
			return 31;
		else
			return 95;
	}
	@Override
	public boolean equals(Object obj) {

		Country other = (Country) obj;
		if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))
			return true;
		return false;
	}
}


存取代码:


import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
public class HashMapStructure {
	public static void main(String[] args) {
		Country india = new Country("India", 1000);
		Country japan = new Country("Japan", 10000);
		Country france = new Country("France", 2000);
		Country russia = new Country("Russia", 20000);
		HashMap<Country, String> countryCapitalMap = new HashMap<Country, String>();
		countryCapitalMap.put(india, "Delhi");
		countryCapitalMap.put(japan, "Tokyo");
		countryCapitalMap.put(france, "Paris");
		countryCapitalMap.put(russia, "Moscow");
		Iterator<Country> countryCapitalIter = countryCapitalMap.keySet()
				.iterator();// put debug point at this line
		while (countryCapitalIter.hasNext()) {
			Country countryObj = countryCapitalIter.next();
			String capital = countryCapitalMap.get(countryObj);
			System.out.println(countryObj.getName() + "----" + capital);
		}
	}
}


现在,在第9行设置一个断点,在项目上右击->调试运行(debug as)->java应用(java application)。程序会停在23行,然后在countryCapitalMap上右击,选择“查看”(watch)。将会看到如下的结构:


7d81ee1e2db5ae0de90ca9579fecebb2.jpg


从上图可以观察到以下几点:

有一个叫做table大小是16的Entry数组。这个table数组存储了Entry类的对象。HashMap类有一个叫做Entry的内部类。这个Entry类包含了key-value作为实例变量。我们来看下Entry类的结构。Entry类的结构:


static class Entry implements Map.Entry{
        final K key;
        V value;
        Entry next;
        final int hash;
        ...//More code goes here
}


当往hashmap里面存放key-value对的时候,都会为它们实例化一个Entry对象,这个Entry对象就会存储在前面提到的Entry数组table中。现在你一定很想知道,上面创建的Entry对象将会存放在具体哪个位置(在table中的精确位置)。答案就是,根据key的hashcode()方法计算出来的hash值(来决定)。hash值用来计算key在Entry数组的索引。

现在,如果你看下上图中数组的索引10,它有一个叫做HashMap$Entry的Entry对象。


ae1fe58f5676292278a79fa8f5f0e5ca.jpg


我们往hashmap放了4个key-value对,但是看上去好像只有2个元素!这是因为,如果两个元素有相同的hashcode,它们会被放在同一个索引上。问题出现了,该怎么放呢?原来它是以链表(LinkedList)的形式来存储的(逻辑上)。


我们知道在Java中最常用的两种结构是数组和模拟指针(引用),几乎所有的数据结构都可以利用这两种来组合实现,HashMap也是如此。实际上HashMap是一个“链表散列”,如下是它数据结构:


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从上图我们可以看出HashMap底层实现还是数组,只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity就代表了该数组的长度。下面为HashMap构造函数的源码:


public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
	//初始容量不能<0
	if (initialCapacity < 0)
		throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "
				+ initialCapacity);
	//初始容量不能 > 最大容量值,HashMap的最大容量值为2^30
	if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
		initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
	//负载因子不能 < 0
	if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
		throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "
				+ loadFactor);
	// 计算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。
	int capacity = 1;
	while (capacity < initialCapacity)
		capacity <<= 1;
	this.loadFactor = loadFactor;
	//设置HashMap的容量极限,当HashMap的容量达到该极限时就会进行扩容操作
	threshold = (int) (capacity * loadFactor);
	//初始化table数组
	table = new Entry[capacity];
	init();
}

从源码中可以看出,每次新建一个HashMap时,都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点。

其中Entry为HashMap的内部类,它包含了键key、值value、下一个节点next,以及hash值,这是非常重要的,正是由于Entry才构成了table数组的项为链表。

Hash相同的值,是存在指定索引的链表上。

推荐您阅读更多有关于“ HashMap 哈希表 加载因子 ”的文章

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