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Java HashMap的工作原理(转载)

面试的时候经常会遇见诸如:"java中的HashMap是怎么工作的","HashMap的get和put内部的工作原理"这样的问题。本文将用一个简单的例子来解释下HashMap内部的工作原理。首先我们从一个例子开始,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。

我们来看个非常简单的例子。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。

1. Country.java

  1. package org.arpit.javapostsforlearning;
  2. public class Country {
  3.  
  4.  String name;
  5.  long population;
  6.  
  7.  public Country(String name, long population) {
  8.   super();
  9.   this.name = name;
  10.   this.population = population;
  11.  }
  12.  public String getName() {
  13.   return name;
  14.  }
  15.  public void setName(String name) {
  16.   this.name = name;
  17.  }
  18.  public long getPopulation() {
  19.   return population;
  20.  }
  21.  public void setPopulation(long population) {
  22.   this.population = population;
  23.  }
  24.  
  25.  // If length of name in country object is even then return 31(any random number) and if odd then return 95(any random number).
  26.  // This is not a good practice to generate hashcode as below method but I am doing so to give better and easy understanding of hashmap.
  27.  @Override
  28.  public int hashCode() {
  29.   if(this.name.length()%2==0)
  30.    return 31;
  31.   else
  32.    return 95;
  33.  }
  34.  @Override
  35.  public boolean equals(Object obj) {
  36.  
  37.   Country other = (Country) obj;
  38.    if (name.equalsIgnoreCase((other.name)))
  39.    return true;
  40.   return false;
  41.  }
  42.  
  43. }

我的理解:hash只是用来存储,我们使用get(Object t)来获取一个元素,如何判断t就是表中存储的key,是通过equals来判断的。

如果想了解更多关于Object对象的hashcode和equals方法的东西,可以参考:
java中的hashcode()和equals()方法

2. HashMapStructure.java(main class)

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import java.util.HashMap;

import java.util.Iterator;

     

public class HashMapStructure {

     

    /**

     * @author Arpit Mandliya

     */

    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23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:

技术分享

从上图可以观察到以下几点:

  1. 有一个叫做table大小是16的Entry数组。
  2. 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:

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    static class Entry implements Map.Entry

    {

            final K key;

            V value;

            Entry next;

            final int hash;

            ...//More code goes here

    }   `

  3. 每当往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。
  4. 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。
  5. 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)。

    上面的country对象的key-value的hash值是如何计算出来的。

    `

    <code>JapanHash值是95,它的长度是奇数。
    								

     

    IndiaHash值是95,它的长度是奇数。
    								

     

    RussiaHash值是31,它的长度是偶数。
    								

     

    France,它的长度是偶数。
    								

    </code>
    

    `

    下图会清晰的从概念上解释下链表。

    技术分享

    所以,现在假如你已经很好地了解了hashmap的结构,让我们看下put和get方法。

    Put :

    让我们看下put方法的实现:

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     public V put(K key, V value) {

      if (key == null)

       return putForNullKey(value);

      int hash = hash(key.hashCode());

      int i = indexFor(hash, table.length);

      for (Entry<k , V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {判断是否已经存在这个key 如果存在就替换

       Object k;

       if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {

        V oldValue = http://www.mamicode.com/e.value;

        e.value = http://www.mamicode.com/value;

        e.recordAccess(this);

        return oldValue;

       }

      }

       

    否则加入到尾部

      modCount++;

      addEntry(hash, key, value, i);

      return null;

     }

    现在我们一步一步来看下上面的代码。

  6. 对key做null检查。如果key是null,会被存储到table[0],因为null的hash值总是0。
  7. key的hashcode()方法会被调用,然后计算hash值。hash值用来找到存储Entry对象的数组的索引。有时候hash函数可能写的很不好,所以JDK的设计者添加了另一个叫做hash()的方法,它接收刚才计算的hash值作为参数。如果你想了解更多关于hash()函数的东西,可以参考:hashmap中的hash和indexFor方法
  8. indexFor(hash,table.length)用来计算在table数组中存储Entry对象的精确的索引。
  9. 在我们的例子中已经看到,如果两个key有相同的hash值(也叫冲突),他们会以链表的形式来存储。所以,这里我们就迭代链表。
  • 如果在刚才计算出来的索引位置没有元素,直接把Entry对象放在那个索引上。
  • 如果索引上有元素,然后会进行迭代,一直到Entry->next是null。当前的Entry对象变成链表的下一个节点。
  • 如果我们再次放入同样的key会怎样呢?逻辑上,它应该替换老的value。事实上,它确实是这么做的。在迭代的过程中,会调用equals()方法来检查key的相等性(key.equals(k)),如果这个方法返回true,它就会用当前Entry的value来替换之前的value。

    Get:

    现在我们来看下get方法的实现:

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     public V get(Object key) {

      if (key == null)

       return getForNullKey();

      int hash = hash(key.hashCode());

      for (Entry<k , V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {

       Object k;

    个人感觉用equals就够了 不知道为什么判断这么复杂

       if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

        return e.value;

      }

      return null;

     }

    当你理解了hashmap的put的工作原理,理解get的工作原理就非常简单了。当你传递一个key从hashmap总获取value的时候:

  1. 对key进行null检查。如果key是null,table[0]这个位置的元素将被返回。
  2. key的hashcode()方法被调用,然后计算hash值。
  3. indexFor(hash,table.length)用来计算要获取的Entry对象在table数组中的精确的位置,使用刚才计算的hash值。
  4. 在获取了table数组的索引之后,会迭代链表,调用equals()方法检查key的相等性,如果equals()方法返回true,get方法返回Entry对象的value,否则,返回null。

    要牢记以下关键点:

  • HashMap有一个叫做Entry的内部类,它用来存储key-value对。
  • 上面的Entry对象是存储在一个叫做table的Entry数组中。
  • table的索引在逻辑上叫做"桶"(bucket),它存储了链表的第一个元素。
  • key的hashcode()方法用来找到Entry对象所在的桶。
  • 如果两个key有相同的hash值,他们会被放在table数组的同一个桶里面。
  • key的equals()方法用来确保key的唯一性。
  • value对象的equals()和hashcode()方法根本一点用也没有。

Java HashMap的工作原理(转载)