HashMap底层的实现原理

Posted 2023-03-09 ACGkaka_

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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底层的实现原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、知识点回顾

数组特点：

存储区间是连续的，且占用内存严重，空间复杂度也很大，时间复杂度为 O(1)。
优点： 随机读取效率很高，原因是数组是连续的（随机访问性强，查找速度快）。
缺点： 插入和删除数据效率低，因插入数据，这个位置后面的数据在内存中要后移，且大小固定不易动态扩展。

链表特点：

区间离散，占用内存宽松，空间复杂度小，时间复杂度 O(n)。
优点： 插入删除速度快，内存利用率高，没有大小固定，扩展灵活。
缺点： 不能随机查找，每次都是从第一个开始遍历（查询效率低）。

哈希表特点：

以上数组和链表，大家都知道各自优缺点。那么我们能不能把以上两种结合在一起使用，从而实现查询效率高和删除插入效率也高的数据结构呢？答案是可以滴，那就是哈希表可以满足，接下来我们一起复习下 HashMap 中的 put() 和 get() 方法实现原理。

二、HashMap 的 put() 和 get() 的实现

2.1 map.put(k, v) 实现原理

第1步，首先将 k, v 封装到 Node 对象当中（节点）。
第2步，它的底层会调用 K 的 hashCode() 方法得出 hash 值。
第3步，通过哈希表函数/哈希算法，将 hash 值转换成数组的下标：
- 下标位置上如果没有任何元素，就把 Node 添加到这个位置上；
- 如果说下标对应的位置上有链表，就会拿着 k 和链表上每个节点的 k 进行 equals：
  - 如果所有的 equals 方法返回都是 false，那么这个新的节点将被添加到链表的末尾；
  - 如其中有一个 equals 返回了 true，那么这个节点的 value 将会被覆盖。

2.2 map.get(k) 实现原理

第1步，先调用 k 的 hashCode() 方法得出哈希值，并通过哈希算法转换成数组的下标。
第2步，通过上一步哈希算法转换成数组的下标之后，再通过数组下标快速定位到链表所在位置上。
- 如果这个位置上什么都没有，则返回 null；
- 如果这个位置上有单向链表，那么它就会拿着参数 k 和单向链表上的每一个节点的 k 进行 equals：
  - 如果所有 equals 方法都返回 false，则 get 方法返回 null；
  - 如果其中一个节点的 k 和参数 k 进行 equals 返回 true，那么此时该节点的 value 就是我们要找的 value 了，get 方法最终返回这个要找的 value。

2.3 为何随机增删、查询效率都很高？

原因： 增删是在链表上完成的，而查询主要是通过数组定位，然后扫描部分链表，所以效率高。

HashMap 集合的 key，会先后调用两个方法：hashCode() 和 equals() 方法，所以当对象充当 key 时，这两个方法都需要重写。

2.4 为什么放在 HashMap 集合 key 部分的元素需要重写 equals 方法?

原因： 因为 equals 默认比较的是两个对象的内存地址，如果想根据对象的属性来判断，则需要重写。

2.5 HashMap总结

问题1： HashMap 的 key 为什么是无序的？
答：因为不一定挂到哪一个单向链表上，因此加入顺序和取出也不一样。

问题2： HashMap 怎么保持不可重复？
答：使用 equals 方法来保证 HashMap 的 key 不可重复。如果 key 重复的话，value 就会覆盖。存放在 HashMap 集合中的 key，其实就是存放在 HashSet 集合中，所以 HashSet 集合也需要重写 equals() 和 hashCode() 方法。

问题3： HashMap 是如何扩容的？
答： HashMap 集合的默认初始化容量为16，默认加载因子为 0.75，也就是说当 HashMap 集合底层数组的容量达到 75% 时，数组就开始扩容。HashMap 集合初始化容量是 2 的倍数，是为了达到散列均匀，提高 HashMap 集合的存取效率。

2.6 JDK8 之后，HashMap的改变

JDK8 之后，如果哈希表单向链表中元素超过 8 个，那么单向链表这种数据结构会变成红黑树数据结构。当红黑树上的节点数量小于 6 个，会重新把红黑树变成单向链表数据结构。

2.7 HashMap 的哈希碰撞

如果 key1 和 key2 的哈希值相同，就会存放到同一个单向链表上。

如果 key1 和 key2 的哈希值不同，但由于哈希算法执行结束之后转换的数组下标可能相同，此时会发生哈希碰撞。

2.8 HashMap 的 key 允许为 null 吗？

允许

JDK8 中 HashMap 的 put() 方法：

public V put(K key, V value) 
    // 采用 hash(key) 来计算 key 的 hashCode 值
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);


static final int hash(Object key) 
    int h;
    // 当 key 为 null 的时候，不走 hashCode() 方法
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);