HashMap 内部原理

Posted 2020-09-08 LeBron_Six

HashMap 内部实现

通过名字便可知道的是，HashMap 的原理就是散列。HashMap内部维护一个 Buckets 数组，每个 Bucket 封装为一个 Entry<K, V> 键值对形式的链表结构，这个 Buckets 数组也称为表。表的索引是 密钥K 的散列值（散列码）。如下图所示：

链表的每个节点是一个名为 Entry<K，V> 的类的实例。 Entry 类实现了 Map.Entry 接口，下面是Entry类的代码：

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    final int hash;
    V value;
    Entry<K,V> next;
}

注： 每个 Entry 对象仅与一个特定 key 相关联，但其 value 是可以改变的（如果相同的 key 之后被重新插入不同的 value） - 因此键是最终的，而值不是。 每个Entry对象都有一个名为 next 的字段，它指向下一个Entry，所以实际上为单链表结构。hash 字段存储了 Entry 对象在 Buckets 数组索引，也就是 key 的散列值。

如果发生Hash碰撞，也就是两个key的hash值相同，或者如果这个元素所在的位子上已经存放有其他元素了，那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最早加入的放在链尾。

影响 HashMap 性能的两个因素是初始容量和负载因子。容量是表数组的长度，初始容量只是创建哈希表时的容量。负载因子是衡量哈希表在容量自动增加之前是否允许获取的量度（比例）。

当散列表中的 Entry 数量超过负载因子和当前容量的乘积时，将会重新散列该表（也就是重建内部数据结构），使得散列表具有大约两倍的容量（这个其实和ArrayList类似）。

理解 put() 方法

    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key); // 计算hash值
        int i = indexFor(hash, table.length); // 计算在数组中的索引
        // 遍历链表
        for (HashMapEntry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            // hash值相同并且key相等，就直接替换
            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); // 否则就添加到链表
        return null;
    }

注：这个计算出来的hash值被传递给内部哈希函数，哈希函数将返回密钥的散列值。这个值就是 bucket/数组 的索i引。

    static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

这里就有个疑问了，我们如何计算对应存储数组索引，首先想到的就是把hashcode对数组长度取模运算，也就是h%length,这样一来，元素的分布相对来说是比较均匀的。但是，“模”运算的消耗还是比较大的，能不能找一种更快速，消耗更小的方式那中？

首先算得key得hashcode值，然后跟数组的长度-1做一次“与”运算（&）。看上去很简单，其实比较有玄机。比如数组的长度是2的4次方，那么hashcode就会和2的4次方-1做“与”运算。很多人都有这个疑问，为什么hashmap的数组初始化大小都是2的次方大小时，hashmap的效率最高，我以2的4次方举例，来解释一下为什么数组大小为2的幂时hashmap访问的性能最高。

如下图，左边两组是数组长度为16（2的4次方），右边两组是数组长度为15。两组的hashcode均为8和9，但是很明显，当它们和1110“与”的时候，产生了相同的结果，也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去，这就产生了碰撞，8和9会被放到同一个链表上，那么查询的时候就需要遍历这个链表，得到8或者9，这样就降低了查询的效率。同时，我们也可以发现，当数组长度为15的时候，hashcode的值会与14（1110）进行“与”，那么最后一位永远是0，而0001，0011，0101，1001，1011，0111，1101这几个位置永远都不能存放元素了，空间浪费相当大，更糟的是这种情况中，数组可以使用的位置比数组长度小了很多，这意味着进一步增加了碰撞的几率，减慢了查询的效率！

上图参考自：http://blog.csdn.net/oqqYeYi/article/details/39831029

理解 get() 方法

    public V get(Object key) {
        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;
        }

        int hash = (key == null) ? 0 : sun.misc.Hashing.singleWordWangJenkinsHash(key); // 计算hash值
        // 根据索引遍历链表，找出相等的key
        for (HashMapEntry<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 与 put 总结

下面总结了 put() 和 get() 发生的三个重要步骤：

1. 通过调用 计算 Hash Code 方法计算密钥的哈希码。
2. 将计算的散列码传递到内部散列函数indexFor()以获取表的索引。
3. 迭代通过在索引处出现的链表，并调用 equals() 方法来查找匹配键。

所以在这之前要先理解 equals() 和 hashCode() 这两个方法。

在 Java8 中的改善

在Java 8中，对HashMap有一个性能上的改进。当密钥中存在许多哈希冲突（不同的密钥最终具有相同的哈希值或索引）时，平衡树将用于存储 Entry 对象，而不是链表。做法是，一旦 bucket 中的 Entry 数量增长超过某一阈值，则 bucket 将从 Entry 链表切换到平衡树。