HashMap底层实现和原理

Posted 沈子恒

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了HashMap底层实现和原理相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

本文是在阅读知乎老刘作品后的整理。内容基于JDK1.7进行分析,1.8做的改动文章末尾进行讲解。

1. 基本要义

1.1 概述

Hashmap在Map派生中的位置

HashMap基于Map接口实现,元素以键值对的方式存储,并且允许使用null键和null值,因为key不允许重复,因此只能有一个键为null,另外HashMap不能保证放入元素的顺序,是无序的。此外,HashMap是线程不安全的。

1.2 继承关系

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

1.3 基本属性

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始化大小 16 
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     //负载因子0.75
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = ;         //初始化的默认数组
transient int size;                                 //HashMap中元素的数量
int threshold;                                      //判断是否需要调整HashMap的容量  

HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务,所以如果能估算Map的容量,最好给它一个默认初始值,避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的,多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

2. HashMap和Hashtable的区别

2.1 线程安全

两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全。

Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步。因此,相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合。

Note:Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理。

2.2 针对null的不同

HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key。虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事。

Note:HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上(index=0)。

2.3 继承结构

HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类。

2.4 初始容量与扩容

HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75。HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1。

2.5 计算hash的方法不同

Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模.

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸。

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

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);
    
 
 static int indexFor(int h, int length) 
        return h & (length-1);   // &是为了保证处理效率;数组的长度为2的幂次也是为了保证散列值更好

3. Java1.7 : HashMap的数据存储结构

3.1 HashMap由数组和链表来实现对数据的存储

HashMap采用Entry数组来存储key-value对,每一个键值对组成了一个Entry实体,Entry类实际上是一个单向的链表结构,它具有Next指针,可以连接下一个Entry实体,以此来解决Hash冲突的问题(这也决定了,新加入hashmap的key-value,首先根据key的hashcode计算数组索引,然后在该索引下,采用头插法存储entry,entry的属性自然就包括了hash,key,value,next; next指向之前的entry链表表头)。

  • 数组存储区间是连续的,占用内存严重,故空间复杂的很大。但数组的二分查找时间复杂度小,为O(1);数组的特点是:寻址容易,插入和删除困难;
  • 链表存储区间离散,占用内存比较宽松,故空间复杂度很小,但时间复杂度很大,达O(N)。链表的特点是:寻址困难,插入和删除容易。
Java1.7 HashMap使用的列表+链表结构

 

Java 1.7 详细的列表+链表结构;新数据采用头插法放入链表

 

Java1.7 数据存储到hashmap中演示示例

从上图可以发现数据结构由数组+链表组成,一个长度为16的数组中,每个元素存储的是一个链表的头结点。那么这些元素是按照什么样的规则存储到数组中呢。在Java1.4中,采用hash(key.hashCode())%len获得,在Java1.7中使用hash(key.hashCode())&(len-1)并经过一些列右移和异或运算获得。

HashMap里面实现一个静态内部类Entry,其重要的属性有 hash,key,value,next。HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面提到过Entry类里面有一个next属性,作用是指向下一个Entry。打个比方, 第一个键值对A进来,通过计算其key的hash得到的index=0,记做:Entry[0] = A。一会后又进来一个键值对B,通过计算其index也等于0,现在怎么办?HashMap会这样做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又进来C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C;这样我们发现index=0的地方其实存取了A,B,C三个键值对,他们通过next这个属性链接在一起(新数据,头插法)。所以疑问不用担心。也就是说数组中存储的是最后插入的元素。

public V put(K key, V value) 
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //null总是放在数组的第一个链表中
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        //遍历链表
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
            Object k;
            //如果key在链表中已存在,则替换为新value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) 
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            
        
 
        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    

 

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //参数e, 是Entry.next
    //如果size超过threshold,则扩充table大小。再散列
    if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);

4. hashmap对应的方法

4.1 构造方法

HashMap()    //无参构造方法
HashMap(int initialCapacity)  //指定初始容量的构造方法 
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) //指定初始容量和负载因子
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m)  //指定集合,转化为HashMap

HashMap提供了四个构造方法,构造方法中 ,依靠第三个方法来执行的,但是前三个方法都没有进行数组的初始化操作,即使调用了构造方法此时存放HaspMap中数组元素的table表长度依旧为0 。在第四个构造方法中调用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作,并将m中的元素添加到HashMap中。

4.2 添加方法 : put

public V put(K key, V value) 
        if (table == EMPTY_TABLE)  //是否初始化
            inflateTable(threshold);
        
        if (key == null) //放置在0号位置
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key); //计算hash值
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算在Entry[]中的存储位置
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) 
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            
        

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i); //添加到Map中
        return null;

在该方法中,添加键值对时,首先进行table是否初始化的判断,如果没有进行初始化(分配空间,Entry[]数组的长度)。然后进行key是否为null的判断,如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置,判断该位置上是否已有元素,如果已经有元素存在,则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。判断key是否存在,如果key已经存在,则用新的value值,替换点旧的value值,并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中,程序继续向下执行。将key-vlaue, 生成Entry实体,添加到HashMap中的Entry[]数组中。

4.3 addEntry()

/*
 * hash hash值
 * key 键值
 * value value值
 * bucketIndex Entry[]数组中的存储索引
 * / 
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
     if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) 
         resize(2 * table.length); //扩容操作,将数据元素重新计算位置后放入newTable中,链表的顺序与之前的顺序相反
         hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
         bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
     

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;

添加到方法的具体操作,在添加之前先进行容量的判断,如果当前容量达到了阈值,并且需要存储到Entry[]数组中,先进性扩容操作,空充的容量为table长度的2倍。重新计算hash值,和数组存储的位置,扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。在1.8之前,新插入的元素都是放在了链表的头部位置,但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁,所以1.8之后,新插入的元素都放在了链表的尾部。

4.4 获取方法 : get

public V get(Object key) 
     if (key == null)
         //返回table[0] 的value值
         return getForNullKey();
     Entry<K,V> entry = getEntry(key);

     return null == entry ? null : entry.getValue();

final Entry<K,V> getEntry(Object key) 
     if (size == 0) 
         return null;
     

     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     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 != null && key.equals(k))))
            return e;
      
     return null;

在get方法中,首先计算hash值,然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置,得到该位置的单链表,遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry,返回entry.value值。

4.5 删除方法 : delete

public V remove(Object key) 
     Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
     return (e == null ? null : e.value);

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) 
     if (size == 0) 
         return null;
     
     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     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;

删除操作,先计算指定key的hash值,然后计算出table中的存储位置,判断当前位置是否Entry实体存在,如果没有直接返回,若当前位置有Entry实体存在,则开始遍历列表。定义了三个Entry引用,分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中,首先判断pre 和 e 是否相等,若相等表明,table的当前位置只有一个元素,直接将table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的连接关系,判断e的key是否和指定的key 相等,若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

4.6 包含key : containKey

public boolean containsKey(Object key) 
        return getEntry(key) != null;
    
final Entry<K,V> getEntry(Object key) 
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
        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 != null && key.equals(k))))
                return e;
        
        return null;
    

containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值。

4.7 包含value :containsValue

public boolean containsValue(Object value) 
    if (value == null)
            return containsNullValue();

    Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
    return false;
    

containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value。

5. Java 1.8 中的变动

在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了优化。,数据结构的存储由数组+链表的方式,变化为数组+链表+红黑树的存储方式,当链表长度超过阈值(8)时,将链表转换为红黑树。在性能上进一步得到提升。

Note:如果在链表长度为8时,进行反复的put和delete操作,是否会造成频繁的建树与频繁的退化成列表?是否会造成时间开销剧增?JDK1.8设计hashmap的时候就考虑到了这一点。当链表长度大于8的时候,才会构建红黑树进行存储,此时的时间复杂度为log(n);当红黑树中的数据少于6个的时候,红黑树才会退化为链表。这是典型的margin技巧。

以上是关于HashMap底层实现和原理的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

HashMap底层实现原理

Java集合:HashMap底层实现和原理(源码解析)

hashmap底层实现原理是啥?

是时候来了解JDK8 HashMap的实现原理了

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