HashMap一问一答

Posted 2021-03-10 cmg219

参考博文一文读懂HashMap ， 深入浅出学Java——HashMap
上面两篇文章介绍的jdk1.7的hashmap实现与原理，写得十分清楚，建议阅读。
在写了几篇随笔后，发现我只是阐述原理，却没有认真细下心来分析为什么要这样做，这样做有哪些好处。接下来，我打算已问答的方式来完成这边随笔。

1.HashMap是什么

  Hash table based implementation of the <tt>Map</tt> interface.  This
  implementation provides all of the optional map operations, and permits
  <tt>null</tt> values and the <tt>null</tt> key.  (The <tt>HashMap</tt>
  class is roughly equivalent to <tt>Hashtable</tt>, except that it is
  unsynchronized and permits nulls.)  This class makes no guarantees as to
  the order of the map; in particular, it does not guarantee that the order
  will remain constant over time.
 

是什么

基于哈希表实现的Map接口。这实现提供了所有可选的映射操作并且允许null值和null键。HashMap类大致相当于Hashtable，只是它是不同步，允许为空。这个类不能保证地图的顺序;特别是，它不能保证内容会随着时间保持不变。

它的数据结构

众所周知，HashMap是用来存储Key-Value键值对的一种集合，这个键值对也叫做Entry，而每个Entry都是存储在数组当中，因此这个数组就是HashMap的主干。HashMap数组中的每一个元素的初始值都是NULL。HashMap由数组+链表组成的，数组是HashMap的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的。

2.Put方法的实现原理

public V put(K key, V value) {
        //如果table数组为空数组{}，进行数组填充（为table分配实际内存空间），入参为threshold，
        //此时threshold为initialCapacity 默认是1<<4(24=16)
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
       //如果key为null，存储位置为table[0]或table[0]的冲突链上
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);//对key的hashcode进一步计算，确保散列均匀
        int i = indexFor(hash, table.length);//获取在table中的实际位置
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        //如果该对应数据已存在，执行覆盖操作。用新value替换旧value，并返回旧value
            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++;//保证并发访问时，若HashMap内部结构发生变化，快速响应失败
        addEntry(hash, key, value, i);//新增一个entry
        return null;
    }

插入位置是怎么确定的

HaspMap的一种重要的方法是put()方法，当我们调用put()方法时，比如hashMap.put("Java",0)，此时要插入一个Key值为“Java”的元素，这时首先需要一个Hash函数来确定这个Entry的插入位置，设为index，

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

假设求出的index值为2，那么这个Entry就会插入到数组索引为2的位置。

hash值是怎么计算

static final int hash(Object key) {
        int h;
        return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
    }

key的hash值，并不仅仅只是key对象的hashCode()方法的返回值，还会经过扰动函数的扰动，以使hash值更加均衡。扰动函数就是为了解决hash碰撞的。它会综合hash值高位和低位的特征，并存放在低位，因此在与运算时，相当于高低位一起参与了运算，以减少hash碰撞的概率。（在JDK8之前，扰动函数会扰动四次，JDK8简化了这个操作）

插入位置已经有值了怎么办

但是HaspMap的长度肯定是有限的，当插入的Entry越来越多时，不同的Key值通过哈希函数算出来的index值肯定会有冲突，此时就可以利用链表来解决。
其实HaspMap数组的每一个元素不止是一个Entry对象，也是一个链表的头节点，每一个Entry对象通过Next指针指向下一个Entry对象，这样，当新的Entry的hash值与之前的存在冲突时，只需要插入到对应点链表即可。
需要注意的是，新来的Entry节点采用的是“头插法”，而不是直接插入在链表的尾部，这是因为HashMap的发明者认为，新插入的节点被查找的可能性更大。

如果key是null

如果key为null，存储位置为table[0]或table[0]的冲突链上

如果该对应数据已存在，会发生什么

执行覆盖操作。用新value替换旧value，并返回旧value。

3.Get（）方法的实现原理

public V get(Object key) {
　　　　 //如果key为null,则直接去table[0]处去检索即可。
        if (key == null)
            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;
        }
        //通过key的hashcode值计算hash值
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        //indexFor (hash&length-1) 获取最终数组索引，然后遍历链表，通过equals方法比对找出对应记录
        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;
    }    

get()方法用来根据Key值来查找对应点Value，当调用get()方法时，比如hashMap.get("apple")，这时同样要对Key值做一次Hash映射，算出其对应的index值，即index = hash("apple")。前面说到的可能存在Hash冲突，同一个位置可能存在多个Entry，这时就要从对应链表的头节点开始，一个个向下查找，直到找到对应的
Key值，这样就获得到了所要查找的键值对。例如假设我们要找的Key值是"apple"：
第一步，算出Key值“apple”的hash值，假设为2。
第二步，在数组中查找索引为2的位置，此时找到头节点为Entry6，Entry6的Key值是banana，不是我们要找的值。
第三步，查找Entry6的Next节点，这里为Entry1，它的Key值为apple，是我们要查找的值，这样就找到了对应的键值对，结束。

为什么是e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))

get方法的实现相对简单，key(hashcode)–>hash–>indexFor–>最终索引位置，找到对应位置table[i]，再查看是否有链表，遍历链表，通过key的equals方法比对查找对应的记录。要注意的是，有人觉得上面在定位到数组位置之后然后遍历链表的时候，e.hash == hash这个判断没必要，仅通过equals判断就可以。其实不然，试想一下，如果传入的key对象重写了equals方法却没有重写hashCode，而恰巧此对象定位到这个数组位置，如果仅仅用equals判断可能是相等的，但其hashCode和当前对象不一致，这种情况，根据Object的hashCode的约定，不能返回当前对象，而应该返回null。

4.HashMap长度为什么是2的幂次方

index = HashCode(Key) & (hashMap.length - 1);

1.Length - 1的值的所有二进制位全为1（如15的二进制是1111，31的二进制为11111），这种情况下，index的结果就等同于HashCode后几位的值。只要输入的HashCode本身分布均匀，Hash算法的结果就是均匀的。
2.当HashMap扩容后，变为原来长度的两倍，这时候，需要将原来的元素复制到扩容后的HashMap。二次幂的好处是，元素在扩容后的HashMap的位置要么是在原位置，要么就是在原位置在移动二次幂。因为index值只和HashCode(Key)的低位有关系，再扩容两倍后，index的值会多1bit，如果是0位置不变，如果是1，位置等于以前的位置加上以前的HashMap长度。

附HashMap put方法逻辑图