java——HashMap

Posted 2020-10-05 东木刀纹

今天面试的时候突然被问到hashMap的具体实现，一脸懵逼的感觉，平时经常用的也不过是直接new一个hashMap，然后进行put(key,value)，get(key)和remove(key)操作，突然问道原理，所以还是需要恶补一下的。

1. 首先说一下一些常用的数据结构

(1) 数组：数组的话一般需要开辟连续的空间，因此占用的内存严重，空间复杂度很大。但是查找的时候比较方便，可以使用二分查找，复杂度大概就是O（l）。当然删除和插入操作就比较复杂了，因为需要元素的移动

(2) 链表：不需要连续的存储空间，可以离散化存储。所以占用内存比较宽松，空间复杂度很小。但是查找的话比较复杂，需要从head开始遍历，判断是否是需要的元素。

(3) 栈：栈的话其实是从Vector扩展来的，而Vector则是implements 了List这个接口，因此其实上栈是基于链表来实现的。不过由于其特殊性，只有push(object)和pop()两个函数，因此操作的时间复杂度也是O(1)。

(4) hashMap：这个就是接下来的重点了。既然数组的查找方便，而链表的存储方便，那有没有一种方式，可以结合两者的优点。hashMap就是这样被实现出来的。

HashMap就是数组和链表的结合，如图所示，是HashMap的示意图。首先有一个数组，之后数组的每一个可以跟着一个链表。

数组的每一个以及链表的每一个都是一个结构体，结构体是如下图的Node，每一个Node包含一个hash值，一个key，一个value以及一个指向下一个结构体的链表。

另一个结构体是TreeNode，在java中每一个链表其实用到了树形结构来存储，这样就方便了更快的查找

 2. HashMap的put函数

下面所示是HashMap的源码实现，首先对于每一个key，会进行hash（key），然后hash（key）%length来获取应该存入的下标index。如果两个具有相同的hash值，比如entry1以及entry2，index都是1，首先将entry1加入，entry1指向null。然后加入entry2的时候，entry2指向entry1，entry1指向null，就是新加入的永远放在最前面。

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

3. get函数

首先查找hash(key)，找到index，然后查找index对应的treeNode来根据key值查找

    public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

    final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

4. remove函数

和get函数差不多，具体注解如下

     * @param hash hash for key
     * @param key the key
     * @param value the value to match if matchValue, else ignored
     * @param matchValue if true only remove if value is equal
     * @param movable if false do not move other nodes while removing
     * @return the node, or null if none

    public V remove(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
    }

 final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                               boolean matchValue, boolean movable) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                node = p;
            else if ((e = p.next) != null) {
                if (p instanceof TreeNode)
                    node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
                else {
                    do {
                        if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                             (key != null && key.equals(k)))) {
                            node = e;
                            break;
                        }
                        p = e;
                    } while ((e = e.next) != null);
                }
            }
            if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                                 (value != null && value.equals(v)))) {
                if (node instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
                else if (node == p)
                    tab[index] = node.next;
                else
                    p.next = node.next;
                ++modCount;
                --size;
                afterNodeRemoval(node);
                return node;
            }
        }
        return null;
    }

 5. Hashtable

提到了HashMap，肯定也是需要了解Hashtable的，Hashtable和HashMap一样，同样是基于Map来实现的，两者的区别主要有以下几点

(1) HashMap允许有null的键和null的值，当然两个都是null也是可以的。而Hashtable不允许有null的键或者值

(2) 线程安全性，HashMap是线程不安全的，因此效率也会高一点。而Hashtable是线程安全的，因此效率上会低一点。当然HashMap也可以变成线程同步的

Map m = Collections.synchronizeMap(hashMap)

(3) Hashtable的多数方法是Synchronize的，这也是为什么他是同步的，而HashMap方法并不是Synchronize的

(4) 两者的实现是有差别的

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


public class Hashtable<K,V>
    extends Dictionary<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {

(5) HashMap 不能保证随着时间的推移Map中的元素次序保持不变（散列映射导致的），如果需要保证顺序，可以使用LinkedHashMap

public class LinkedHashMap<K,V>
    extends HashMap<K,V>
    implements Map<K,V>
{

(6) 迭代器 HashMap的迭代器是fail-fast的，如果在迭代的时候改变结构会抛出ConcurrentModificationException异常。而Hashtable的enumerator迭代器不是fail-fast的。