Hashmap实现原理

Posted 2020-09-05 forever-z

1.HashMap的数据结构

　　数组的特点是：寻址容易，插入和删除困难；而链表的特点是：寻址困难，插入和删除容易。那么我们能不能综合两者的特性，做出一种寻址容易，插入删除也容易的数据结构？答案是肯定的，这就是我们要提起的哈希表，哈希表有多种不同的实现方法，我接下来解释的是最常用的一种方法—— 拉链法，我们可以理解为“链表的数组” ，如图：

　　从上图我们可以发现哈希表是由数组+链表组成的，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。一般情况是通过hash(key)%len获得，也就是元素的key的哈希值对数组长度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存储在数组下标为12的位置。

　　HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。这可能让我们很不解，一个线性的数组怎么实现按键值对来存取数据呢？这里HashMap有做一些处理。

　　1.首先HashMap里面实现一个静态内部类Entry，其重要的属性有 key , value, next，从属性key,value我们就能很明显的看出来Entry就是HashMap键值对实现的一个基础bean，我们上面说到HashMap的基础就是一个线性数组，这个数组就是Entry[]，Map里面的内容都保存在Entry[]里面。

2.HashMap的存取实现

     既然是线性数组，为什么能随机存取？这里HashMap用了一个小算法，大致是这样实现：

1 //存储时:
2 int hash = key.hashCode();// 这个hashCode方法这里不详述,只要理解每个key的hash是一个固定的int值
3 int index = hash % Entry[].length;
4 Entry[index] = value;
5 
6 //取值时:
7 int hash = key.hashCode();
8 int index = hash % Entry[].length;
9 return Entry[index];

到这里我们轻松的理解了HashMap通过键值对实现存取的基本原理

    3.疑问：如果两个key通过hash%Entry[].length得到的index相同，会不会有覆盖的危险？

　　这里HashMap里面用到链式数据结构的一个概念。上面我们提到过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。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。到这里为止，HashMap的大致实现，我们应该已经清楚了。

　　当然HashMap里面也包含一些优化方面的实现，这里也说一下。比如：Entry[]的长度一定后，随着map里面数据的越来越长，这样同一个index的链就会很长，会不会影响性能？HashMap里面设置一个因素（也称为因子），随着map的size越来越大，Entry[]会以一定的规则加长长度。

3.解决hash冲突的办法

1. 开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）
2. 再哈希法
3. 链地址法
4. 建立一个公共溢出区

Java中hashmap的解决办法就是采用的链地址法。

4.实现自己的HashMap

Entry.java

 1 package edu.sjtu.erplab.hash;
 2 
 3 public class Entry<K,V>{
 4     final K key;
 5     V value;
 6     Entry<K,V> next;//下一个结点
 7  
 8     //构造函数
 9     public Entry(K k, V v, Entry<K,V> n) {
10         key = k;
11         value = v;
12         next = n;
13     }
14 
15     public final K getKey() {
16         return key;
17     }
18 
19     public final V getValue() {
20         return value;
21     }
22 
23     public final V setValue(V newValue) {
24     V oldValue = value;
25         value = newValue;
26         return oldValue;
27     }
28 
29     public final boolean equals(Object o) {
30         if (!(o instanceof Entry))
31             return false;
32         Entry e = (Entry)o;
33         Object k1 = getKey();
34         Object k2 = e.getKey();
35         if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
36             Object v1 = getValue();
37             Object v2 = e.getValue();
38             if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
39                 return true;
40         }
41         return false;
42     }
43 
44     public final int hashCode() {
45         return (key==null   ? 0 : key.hashCode()) ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());
46     }
47 
48     public final String toString() {
49         return getKey() + "=" + getValue();
50     }
51 
52 }

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MyHashMap.java

 1 package edu.sjtu.erplab.hash;
 2 
 3 //保证key与value不为空
 4 public class MyHashMap<K, V> {
 5     private Entry[] table;//Entry数组表
 6     static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默认数组长度
 7     private int size;
 8 
 9     // 构造函数
10     public MyHashMap() {
11         table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
12         size = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
13     }
14 
15     //获取数组长度
16     public int getSize() {
17         return size;
18     }
19     
20     // 求index
21     static int indexFor(int h, int length) {
22         return h % (length - 1);
23     }
24 
25     //获取元素
26     public V get(Object key) {
27         if (key == null)
28             return null;
29         int hash = key.hashCode();// key的哈希值
30         int index = indexFor(hash, table.length);// 求key在数组中的下标
31         for (Entry<K, V> e = table[index]; e != null; e = e.next) {
32             Object k = e.key;
33             if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k)))
34                 return e.value;
35         }
36         return null;
37     }
38 
39     // 添加元素
40     public V put(K key, V value) {
41         if (key == null)
42             return null;
43         int hash = key.hashCode();
44         int index = indexFor(hash, table.length);
45 
46         // 如果添加的key已经存在，那么只需要修改value值即可
47         for (Entry<K, V> e = table[index]; e != null; e = e.next) {
48             Object k = e.key;
49             if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k))) {
50                 V oldValue = e.value;
51                 e.value = value;
52                 return oldValue;// 原来的value值
53             }
54         }
55         // 如果key值不存在，那么需要添加
56         Entry<K, V> e = table[index];// 获取当前数组中的e
57         table[index] = new Entry<K, V>(key, value, e);// 新建一个Entry，并将其指向原先的e
58         return null;
59     }
60 
61 }

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MyHashMapTest.java

 1 package edu.sjtu.erplab.hash;
 2 
 3 public class MyHashMapTest {
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6 
 7         MyHashMap<Integer, Integer> map = new MyHashMap<Integer, Integer>();
 8         map.put(1, 90);
 9         map.put(2, 95);
10         map.put(17, 85);
11     
12         System.out.println(map.get(1));
13         System.out.println(map.get(2));
14         System.out.println(map.get(17));
15         System.out.println(map.get(null));
16     }
17 }

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