HashMap 知识整理
Posted Mr.袋鼠
tags:
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 知识整理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
首先是HashMap的学习，理解散列的概念以及相关的实现，并且会学习HashMap的源码，理解为什么HashMap的速度如此之快。
声明：参考到的资料在下方列出。
1.《Java编程思想》 作者BruceEckel
2.http://liujiacai.net/blog/2015/09/03/java-hashmap/#%E5%93%88%E5%B8%8C%E8%A1%A8%EF%BC%88hash-table%EF%BC%89
3.提前需要理解红黑树的知识，可以参考文章（写的非常的详细）：
http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3245399.html
一、优先级队列（这个知识点跟本文主题关系不大，但是整理记录一下，所以放在这里了）
直接上例子：
1 import java.util.PriorityQueue; 2 3 public class ToDoList extends PriorityQueue<ToDoList.TodoItem>{ 4 5 /** 6 * 7 */ 8 private static final long serialVersionUID = 1L; 9 static class TodoItem implements Comparable<TodoItem> { 10 11 private char primary; 12 private int secondary; 13 private String item; 14 15 public TodoItem (String td, char pri, int sec) { 16 this.item = td; 17 this.primary = pri; 18 this.secondary = sec; 19 } 20 @Override 21 public int compareTo(TodoItem arg) { 22 if (primary > arg.primary) { 23 return +1; 24 } 25 if (primary == arg.primary) { 26 if (secondary > arg.secondary) { 27 return +1; 28 } else if (secondary == arg.secondary){ 29 return 0; 30 } 31 } 32 return -1; 33 } 34 35 public String toString() { 36 return Character.toString(primary) + secondary + ": " + item; 37 } 38 39 } 40 41 public void add(String td, char pri, int sec) { 42 super.add(new TodoItem(td, pri, sec)); 43 } 44 public static void main(String[] args) { 45 46 ToDoList toDoList = new ToDoList(); 47 toDoList.add("Empty trash", \'C\', 4); 48 toDoList.add("Feed dog", \'A\', 2); 49 toDoList.add("Mow lawn", \'B\', 7); 50 toDoList.add("Water lawn", \'A\', 1); 51 while (!toDoList.isEmpty()) { 52 System.out.println(toDoList.remove()); 53 } 54 } 55 56 }
我们可以看到，各项是如何按照我们给定的顺序进行排列的。
二、理解Map
Map的实现类有很多：
HashMap：（结构组成：数组+链表+红黑树）无序
TreeMap：基于红黑树的实现，使用红黑树的好处是能够使得树具有不错的平衡性。同时它是有序的，有序（但是按默认顺充，不能指定）
LinkedHashMap：有序的，它是Hash表和链表的实现，并且依靠着双向链表保证了迭代顺序是插入的顺序。
ConcurrentHashMap（一种线程安全的Map，不涉及同步加锁）、无序 .etc.
最常用的是HashMap，它的性能非常棒。至于如何棒，棒到什么程度，慢慢听我说。
性能是映射表的一个重要问题。我们使用散列码，可以代替缓慢的线性搜索，来提高HashMap的速度。散列码是相对唯一的，用以代表对象的int值（因为hashCode()是Object的方法，所以任何对象都可以生成散列码）。那么什么是散列码呢？在Map中，是通过散列来查找另一个对象的。它将键的信息保存在数组里（因为存储、查找元素最快的数据结构是数组），而数组的下角标就是hashCode()生成的散列码。数组的元素里存储的是键值得list。（为什么是list呢？因为数组的大小是不可变的，当Map存储的量很大时，key的数量肯定会超过数组的范围，因此用的list）。之后，取得list后，遍历其中的元素，用equal（）进行比较，最后得到我们的key。
总结查询一个值的过程。首先，计算散列码，然后使用散列码查询数组，之后，对数组中保存的list遍历，用equals（）方法进行线程的查询。这就是散列的原理，HashMap如此之快的原因。
使用HashMap存储我们的对象时，必须重写equals（）和hasCode().同时有以下几个注意点。
正确的equals（）方法必须满足下面5额条件‘：
1.自反性。对于任意x, x.equals(x)一定返回true；
2.对称性。对任意x，y， 如果x.equals(y)返回true，那么，y.equals(x)也返回true；
3.传递性。对任意x，y，z， 如果x.equals(y)返回true，y.equals(z)返回true，那么，x.equals(z)也返回true；
4.一致性。对任意x，y，如果对象中用于等价比较的信息没有改变，那么无论调用x.equals(y)多少次，结果必须一致，全是true，或全是false；
5.对任何不是null的x，x.equlas（null）一定是false。
注意的是，默认的Object.equlas()只是比较对象的地址。
下面说说hashCode的设计。
最重要的因素是：无论何时，对同一个对象调用hashCode（）都应该生成同样的值。同时，散列码要速度快，并且有意义。
我在这里上个图，大家可以更好的理解散列冲突的解决之道。（
图片出处：http://liujiacai.net/blog/2015/09/03/java-hashmap/#%E5%93%88%E5%B8%8C%E8%A1%A8%EF%BC%88hash-table%EF%BC%89）
左侧竖列为数组，数组角标就是哈希码，每个元素内，是个单向链表，用于解决数据冲突问题。
三、HashMap源码分析
源码版本是JDK1.8
1.初始化
1 /** 2 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial 3 * capacity and load factor. 4 * 5 * @param initialCapacity the initial capacity 6 * @param loadFactor the load factor 7 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative 8 * or the load factor is nonpositive 9 */ 10 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { 11 if (initialCapacity < 0) 12 throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + 13 initialCapacity); 14 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) 15 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; 16 if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) 17 throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + 18 loadFactor); 19 this.loadFactor = loadFactor; 20 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); 21 } 22 23 /** 24 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial 25 * capacity and the default load factor (0.75). 26 * 27 * @param initialCapacity the initial capacity. 28 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative. 29 */ 30 public HashMap(int initialCapacity) { 31 this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR); 32 } 33 34 /** 35 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity 36 * (16) and the default load factor (0.75). 37 */ 38 public HashMap() { 39 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted 40 }
HashMap()的构造方法有三个。
第一个构造方法，需要传入容器大小值和负载因子。这个负载因子代表的是现有的容量size占容器size的比率，当超过这个设定的比率（默认是0.75）时，容器会自动扩容。
第二个构造方法（推荐使用），将容器大小传进去，这样我们根据业务量，给定一个合理大小的容器，可以避免以后，容量的扩容，提高效率。
第三个，不多说了，以前自己经常这么用，现在不了。
2.put（）
这个是肯定用到的了，放值，之后取值。
1 /** 2 * Associates the specified value with the specified key in this map. 3 * If the map previously contained a mapping for the key, the old 4 * value is replaced. 5 * 6 * @param key key with which the specified value is to be associated 7 * @param value value to be associated with the specified key 8 * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or 9 * <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>. 10 * (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map 11 * previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.) 12 */ 13 public V put(K key, V value) { 14 return putVal(hash(key), key, value, false, true); 15 }
1 /** 2 * Computes key.hashCode() and spreads (XORs) higher bits of hash 3 * to lower. Because the table uses power-of-two masking, sets of 4 * hashes that vary only in bits above the current mask will 5 * always collide. (Among known examples are sets of Float keys 6 * holding consecutive whole numbers in small tables.) So we 7 * apply a transform that spreads the impact of higher bits 8 * downward. There is a tradeoff between speed, utility, and 9 * quality of bit-spreading. Because many common sets of hashes 10 * are already reasonably distributed (so don\'t benefit from 11 * spreading), and because we use trees to handle large sets of 12 * collisions in bins, we just XOR some shifted bits in the 13 * cheapest possible way to reduce systematic lossage, as well as 14 * to incorporate impact of the highest bits that would otherwise 15 * never be used in index calculations because of table bounds. 16 */ 17 static final int hash(Object key) { 18 int h; 19 return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); 20 }
hash（）算法，key不为null时，取【key的哈希值】与【其右移16位的数值】的异或运算。
算法为什么是这样？里面的道理我就不知道了，肯定是经过大量数学运算，得到的这个算法。（我对象总说我是文科的。。。）
1 /** 2 * Implements Map.put and related methods 3 * 4 * @param hash hash for key 5 * @param key the key 6 * @param value the value to put 7 * @param onlyIfAbsent if true, don\'t change existing value 8 * @param evict if false, the table is in creation mode. 9 * @return previous value, or null if none 10 */ 11 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, 12 boolean evict) { 13 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 判断节点数组是否为空，如果为空，初始化节点数组。 14 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) 15 n = (tab = resize()).length;
// 判断数组中的某个元素是否为空，如果为空，初始化，创建一个新的Node 16 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) 17 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); 18 else { 19 Node<K,V> e; K k;
// 判断传进来的key值是否已经存在。通过hash值和key值得两重比较来判断
// 如果key已经存在，存储的Node信息不变 20 if (p.hash == hash && 21 ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 22 e = p;
// 如果是TreeNode实例，就将key存入红黑树中保存。 23 else if (p instanceof TreeNode) 24 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); 25 else {
// 如果是Node实例，那么将创建一个TreeNode用于管理key的信息。
// 我猜想，如果用单项链表的话，查找key时，还是线性查找，可以通过Red black tree，将性能提升。 26 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { 27 if ((e = p.next) == null) { 28 p.next = newNode(hash, key, value, null); 29 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st 30 treeifyBin(tab, hash); 31 break; 32 } 33 if (e.hash == hash && 34 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) 35 break; 36 p = e; 37 } 38 } 39 if (e != null) { // existing mapping for key 40 V oldValue = e.value; 41 if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) 42 e.value = value; 43 afterNodeAccess(e); 44 return oldValue; 45 } 46 } 47 ++modCount; 48 if (++size > threshold) 49 resize(); 50 afterNodeInsertion(evict); 51 return null; 52 }
上面分析，每个分支的目的，至于每一行的具体代码，以及里面算法的实现，无法简短的说清楚，有兴趣的话，可以自己查阅资料。
1 /** 2 * Tree version of putVal. 3 */ 4 final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, 5 int h, K k, V v) { 6 Class<?> kc = null; 7 boolean searched = false; 8 TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this;
// 往树结构中插入节点
// 遍历节点。代码中是红黑树算法具体代码实现。 9 for (TreeNode<K,V> p = root;;) { 10 int dir, ph; K pk; 11 if ((ph = p.hash) > h) 12 dir = -1; 13 else if (ph < h) 14 dir = 1; 15 else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk))) 16 return p; 17 else if ((kc == null && 18 (kc = comparableClassFor(k)) == null) || 19 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) { 20 if (!searched) { 21 TreeNode<K,V> q, ch; 22 searched = true; 23 if (((ch = p.left) != null && 24 (q = ch.find(h, k, kc)) != null) || 25 ((ch = p.right) != null && 26 (q = ch.find(h, k, kc)) != null)) 27 return q; 28 } 29 dir = tieBreakOrder(k, pk); 30 } 31 32 TreeNode<K,V> xp = p; 33 if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) { 34 Node<K,V> xpn = xp.next; 35 TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn); 36 if (dir <= 0) 37 xp.left = x; 38 else 39 xp.right = x; 40 xp.next = x; 41 x.parent = x.prev = xp; 42 if (xpn != null) 43 ((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x; 44 moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x)); 45 return null; 46 } 47 } 48 }
。。。
其他的代码先不分析了。
文章暂时就简要的写到这里吧。有很多细节地方讲解的不到位，只是说明了一个大致的实现思路。里面算法的具体操作实现，以后遇到再做总结。
不足的地方，望前辈指正。
谢过！！！
以上是关于HashMap 知识整理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章