两大常见容器之HashMap是如何实现的？

Posted 2022-12-02 刘兆贤

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最近计划研究HashMap的内部实现，经过三天时间，终于可以写下一些东西。

数据结构：数组+链表。即每个数组中的单个元素，都是一个链表，该元素的下标由key的hash与数组长度决定，该链接的key的hash都相等。

特点：

1. 它和HashTable大致相同（除了非线程安全和允许空键、空值），不保证排列顺序一直不变；
2. 不要设置扩容因子过大或者过小，否则超过最大数量后，不再执行hash操作。
3. 比较时，不再判断hashCode，而是根据key的hash获得下标。
4. iterator方法执行后，如果map再执行修改，则iterator.remove时会报非同步修改错误。

扩容：

1. 如果table数量大于0，且大于1<<30，则扩容因子threshold=Integer.MAX_VALUE，用于下次扩容的判断条件，返回table对象不变；
2. 如果小于上述最大值，则扩容1倍，即threshold（首次为12=16*0.75）*2=24；（ArrayList默认为10个，扩容0.5倍）
3. 如果e.next为null，则直接将e赋值在当前hash&(newCap-1)的下标位；如果是TreeNode，则使用红黑树的split方法；
4. 如果e.next不为null，则将此后的对象，分成两个队列（e.next=newE）；hash&oldCap==0则放在当前位置j，否则放在新位置（j+oldCap）

hashmap 查找速度：

O(1)+O(lgn)，8个以内O(1),以外红黑树O(lgn)。

为什么HashMap扩容1倍？

因为可以减少hash冲突，避免形成链式结构，从而降低查询效率。比如11001&10111=10001 11001&11111=10001

增加/修改：

1. 默认生成16个数据的数组
2. 根据key的hash，定义下标，从下标1开始存数据，如果不存在则生成新的对象，如果存在则返回已有对象；
3. 如果链表超过存储长度，则把链表转变成红黑树进行存储，modCount（修改数量）加1，
4. 如果目前个数大于threshold（首次为12=16*0.75），则执行上述扩容操作。

借图一张，以表示插入过程

再借一张，表示数据结构

查找：

1. 根据key的hash找到下标，如果key相等则查到一个对象O；
2. 否则，如果O是TreeNode，则转成红黑树的查找方式；
3. 否则，依次查找O.next，直到key相等；

删除：
先查找到目标对象，然后再删除；

1. 如果对象O直接查出，则O赋值为O.next；
2. 如果对象O是TreeNode，则按照红黑树的删除方式；
3. 如果对象是在next队列中找到，则将O赋值为O.next。

一个疑问:
达到12个时，仅设置p.next，未对table进行赋值，为什么却出现在table里？因为table的值会最终汇总。

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红黑树

10亿数据的快速查找方案：建立红黑树（旋转-例左转，则将该结点的右结点，转换成该结点的父结点，将右结点的左结点转成该结点的右结点、自平衡、上色），
查找/删除/插入平均和最差效率为O(logn)。

借图一张，表示从pivot左旋转。

性质：

1. 每个结点，要么黑要么红；
2. 根结点是黑色；
3. 空结点都是黑色；
4. 红色结点，两个子结点是黑色；
5. 叶结点到空结点路径上，黑结点数量相等。

特点：

1. 没有连续的红色结点，但可以有连续的黑色结点，根结点是黑色；
2. 当前结点，总比左结点大，比右结点小；
3. 最长路径，不超过最短路径的2倍；

三个问题：

1. 颜色的出现，是为了实现平衡二叉树的特性。
2. 什么情况下，需要变色？两个相邻结点为红色。
3. 什么情况下，需要旋转？当变色已经不满足要求时。

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位移符号

>>：带符号右移。正数右移高位补0，负数右移高位补1。

例：4 >> 1，结果是2；-4 >> 1，结果是-2。-2 >> 1，结果是-1。

>>>：无符号右移。无论是正数还是负数，高位通通补0。

对于正数而言，>>和>>>没区别。

对于负数而言，-2 >>> 1，结果是2147483647（Integer.MAX_VALUE），-1 >>> 1，结果是2147483647（Integer.MAX_VALUE）。

以下代码可以判断两个数的符号是否相等

return ((a >> 31) ^ (b >> 31)) == 0;