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【Java基础】——HashMap设计原理&实现分析
HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位,每一个Java程序员都应该了解HashMap。
本文主要从源码角度来解析HashMap的设计思路,并且详细地阐述HashMap中的几个概念,并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节,讨论HashMap的性能问题,并且在文中贯穿着一些关于HashMap常见问题的讨论。
1. HashMap设计思路以及内部结构组成
为了实现上述的设计思路,在HashMap内部,采用了数组+链表的形式来组织键值对Entry<Key,Value>。
HashMap内部维护了一个Entry[] table 数组,当我们使用 new HashMap()创建一个HashMap时,Entry[] table 的默认长度为16。Entry[] table的长度又被称为这个HashMap的容量(capacity);
对于Entry[] table的每一个元素而言,或为null,或为由若干个Entry<Key,Value>组成的链表。HashMap中Entry<Key,Value>的数目被称为HashMap的大小(size);
Entry[] table中的某一个元素及其对应的Entry<Key,Value>又被称为桶(bucket);
其结构如下图所示:
HashMap内部组织结构由上图所示,现在来看一下HashMap的基本工作流程:
2. 什么是阀值?为什么会有阀值?什么是加载因子?它们有什么作用?
HashMap设计的初衷,是为了尽可能地迅速根据Key的hashCode值, 直接就可以定位到对应的Entry<Key,Value>对象,然后得到Value。
请读者考虑这样一个问题:
当我们使用 HashMap map = new HashMap()语句时,我们会创建一个HashMap对象,它内部的 Entry[] table的大小为 16,我们假定Entry[] table的大小会改变。现在,我们现在向它添加160对Key值完全不同的键值对<Key,Value>,那么,该HashMap内部有可能下面这种情况:即对于每一个桶中的由Entry<Key,Value>组成的链表的长度会非常地长!我们知道,对于查找链表操作的时间复杂度是很高的,为O(n)。这样的一个HashMap的性能会很低很低,如下图所示:
现在再来分析一下这个问题,当前的HashMap能够实现:
1. 根据Key的hashCode,可以直接定位到存储这个Entry<Key,Value>的桶所在的位置,这个时间的复杂度为O(1);
2. 在桶中查找对应的Entry<Key,Value>对象节点,需要遍历这个桶的Entry<Key,Value>链表,时间复杂度为O(n);
那么,现在,我们应该尽可能地将第2个问题的时间复杂度o(n)降到最低,读者现在是不是有想法了:我们应该要求桶中的链表的长度越短越好!桶中链表的长度越短,所消耗的查找时间就越低,最好就是一个桶中就一个Entry<Key,Value>对象节点就好了!
这样一来,桶中的Entry<Key,Value>对象节点要求尽可能第少,这就要求,HashMap中的桶的数量要多了。
我们知道,HashMap的桶数目,即Entry[] table数组的长度,由于数组是内存中连续的存储单元,它的空间代价是很大的,但是它的随机存取的速度是Java集合中最快的。我们增大桶的数量,而减少Entry<Key,Value>链表的长度,来提高从HashMap中读取数据的速度。这是典型的拿空间换时间的策略。
但是我们不能刚开始就给HashMap分配过多的桶(即Entry[] table 数组起始不能太大),这是因为数组是连续的内存空间,它的创建代价很大,况且我们不能确定给HashMap分配这么大的空间,它实际到底能够用多少,为了解决这一个问题,HashMap采用了根据实际的情况,动态地分配桶的数量。
上述的 HashMap的容量(即Entry[] table的大小) * 加载因子(经验值0.75)就是所谓的阀值(threshold):
最后,请读者看一个实例:
默认创建的HashMap map =new HashMap();map的容量是 16,那么,当我们往 map中添加第几个完全不同的键值对<Key,Value>时,HashMap的容量会扩充呢?
呵呵,很简单的计算:由于默认的加载因子是0.75 ,那么,此时map的阀值是 16*0.75 = 12,即添加第13 个键值对<Key,Value>的时候,map的容量会扩充一倍。
这时候读者可能会有疑问:本来Entry[] table的容量是16,当放入12个键值对<Key,Value>后,不是至少还剩下4个Entry[] table 元素没有被使用到吗?这不是浪费了宝贵的空间了吗?! 确实如此,但是为了尽可能第减少桶中的Entry<Key,Value>链表的长度,以提高HashMap的存取性能,确定的这个经验值。如果读者你对存取效率要求的不是太高,想省点空间的话,你可以new HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造方法将这个因子设置得大一些也无妨。
2. HashMap的算法实现解析
HashMap的算法实现最重要的两个是put() 和get() 两个方法,下面我将分析这两个方法:
[java] view plain copy print?
- public V put(K key, V value);
- public V get(Object key);
另外,HashMap支持Key值为null 的情况,我也将详细地讨论这个问题。
1. 向HashMap中存储一对键值对<Key,Value>流程---put()方法实现:
详细流程如下列的代码所示:
[java] view plain copy print?
- /**
- * 将<Key,Value>键值对存到HashMap中,如果Key在HashMap中已经存在,那么最终返回被替换掉的Value值。
- * Key 和Value允许为空
- */
- public V put(K key, V value) {
- //1.如果key为null,那么将此value放置到table[0],即第一个桶中
- if (key == null)
- return putForNullKey(value);
- //2.重新计算hashcode值,
- int hash = hash(key.hashCode());
- //3.计算当前hashcode值应当被分配到哪一个桶中,获取桶的索引
- int i = indexFor(hash, table.length);
- //4.循环遍历该桶中的Entry列表
- for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
- Object k;
- //5. 查找Entry<Key,Value>链表中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry<Key,Value>对象,
- //已经存在,则将Value值覆盖到对应的Entry<Key,Value>对象节点上
- if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {//请读者注意这个判定条件,非常重要!!!
- V oldValue = e.value;
- e.value = value;
- e.recordAccess(this);
- return oldValue;
- }
- }
- modCount++;
- //6不存在,则根据键值对<Key,Value> 创建一个新的Entry<Key,Value>对象,然后添加到这个桶的Entry<Key,Value>链表的头部。
- addEntry(hash, key, value, i);
- return null;
- }
- /**
- * Key 为null,则将Entry<null,Value>放置到第一桶table[0]中
- */
- 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;
- }
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- /**
- * 根据特定的hashcode 重新计算hash值,
- * 由于JVM生成的的hashcode的低字节(lower bits)冲突概率大,(JDK只是这么一说,至于为什么我也不清楚)
- * 为了提高性能,HashMap对Key的hashcode再加工,取Key的hashcode的高字节参与运算
- */
- static int hash(int h) {
- // 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);
- }
- /**
- * 返回此hashcode应当分配到的桶的索引
- */
- static int indexFor(int h, int length) {
- return h & (length-1);
- }
2. get() 方法的实现:
根据特定的Key值从HashMap中取Value的结果就比较简单了:
具体算法如下:
[java] view plain copy print?
- /**
- * Returns the value to which the specified key is mapped,
- * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
- * 返回key对应的Value值,如果HashMap中没有,则返回null;
- * 支持Key为null情况
- * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
- * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
- * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
- * it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
- *
- * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
- * indicate that the map contains no mapping for the key; it‘s also
- * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
- * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
- * distinguish these two cases.
- *
- * @see #put(Object, Object)
- */
- public V get(Object key) {
- if (key == null)
- return getForNullKey();
- int hash = hash(key.hashCode());
- //遍历列表
- 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.HashMap对Key为null情况的支持
HashMap允许Key以null的形式存取,Hashmap会将Key为null组成的Entry<null,Value>放置到table[0],即第一个桶中,在put()和get()操作时,会先对Key 为null的值特殊处理:
[java] view plain copy print?
- /**
- * Offloaded version of get() to look up null keys. Null keys map
- * to index 0. This null case is split out into separate methods
- * for the sake of performance in the two most commonly used
- * operations (get and put), but incorporated with conditionals in
- * others.
- * get 操作
- */
- private V getForNullKey() {
- for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
- if (e.key == null)
- return e.value;
- }
- return null;
- }
[java] view plain copy print?
- /**
- * Key 为null,则将Entry<null,Value>放置到第一桶table[0]中
- */
- 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;
- }
4. 键值对Entry<Key,Value>的移除----remove(key)方法的实现
根据key值移除键值对的操作也比较简单,内部关键的流程分为两个:
1. 根据Key的hashcode 值和Key定位到Entry<key,Value> 对象在HashMap中的位置;
2. 由于Entry<Key,Value>是一个链表元素,之后便是链表删除节点的操作了;
[java] view plain copy print?
- /**
- * Removes the mapping for the specified key from this map if present.
- *
- * @param key key whose mapping is to be removed from the map
- * @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 remove(Object key) {
- Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
- return (e == null ? null : e.value);
- }
- /**
- * Removes and returns the entry associated with the specified key
- * in the HashMap. Returns null if the HashMap contains no mapping
- * for this key.
- */
- final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
- int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
- int i = indexFor(hash, table.length);
- Entry<K,V> prev = table[i];
- Entry<K,V> e = prev;
- while (e != null) {
- Entry<K,V> next = e.next;
- Object k;
- if (e.hash == hash &&
- ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
- modCount++;
- size--;
- if (prev == e)
- table[i] = next;
- else
- prev.next = next;
- e.recordRemoval(this);
- return e;
- }
- prev = e;
- e = next;
- }
- return e;
- }
4. HashMap的特点总结:
1. HashMap是线程不安全的,如果想使用线程安全的,可以使用Hashtable;它提供的功能和Hashmap基本一致。HashMap实际上是一个Hashtable的轻量级实现;同时,也可以使用Collections工具类,进行线程同步控制;
2. 允许以Key为null的形式存储<null,Value>键值对;
3. HashMap的查找效率非常高,因为它使用Hash表对进行查找,可直接定位到Key值所在的桶中;
4. 使用HashMap时,要注意HashMap容量和加载因子的关系,这将直接影响到HashMap的性能问题。加载因子过小,会提高HashMap的查找效率,但同时也消耗了大量的内存空间,加载因子过大,节省了空间,但是会导致HashMap的查找效率降低。
【Java基础】——HashMap设计原理&实现分析