HashMap和Hashtable的实现原理

Posted 2020-11-04 sweet6

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的，这点上完全一致

添加、删除、获取元素时都是先计算hash，根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标，然后进行相应操作，下面以HashMap为例说明下它的简单实现

  /**
     * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量，可以认为是int的最大值    
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 默认的加载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用来存储数据的数组
     */
    transient Entry[] table;

• HashMap的创建
  HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组，默认加载因子为0.75，同时设置临界值为16*0.75

      /**
       * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
       * (16) and the default load factor (0.75).
       */
      public HashMap() {
          this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
          threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
          table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
          init();
      }

   

• put方法
  HashMap会对null值key进行特殊处理，总是放到table[0]位置
  put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值，然后将key放到table[index]位置，当table[index]已存在其它元素时，会在table[index]位置形成一个链表，将新添加的元素放在table[index]，原来的元素通过Entry的next进行链接，这样以链表形式解决hash冲突问题，当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时，则进行扩容，是table数组长度变为table.length*2

•  public V put(K key, V value) {
          if (key == null)
              return putForNullKey(value); //处理null值
          int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
          int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
      //遍历table[i]位置的链表，查找相同的key，若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue
          for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
              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;
              }
          }
      //若没有在table[i]位置找到相同的key，则添加key到table[i]位置，新的元素总是在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移
          modCount++;
          addEntry(hash, key, value, i);
          return null;
      }
  
    
      void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
      //添加key到table[bucketIndex]位置，新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素，原来的元素后移
      Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
          table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
      //判断元素个数是否达到了临界值，若已达到临界值则扩容，table长度翻倍
          if (size++ >= threshold)
              resize(2 * table.length);
      }

   

• get方法
  同样当key为null时会进行特殊处理，在table[0]的链表上查找key为null的元素
  get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值，然后遍历table[index]上的链表，直到找到key，然后返回

  public V get(Object key) {
          if (key == null)
              return getForNullKey();//处理null值
          int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
      //在table[index]遍历查找key，若找到则返回value，找不到返回null
          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.equals(k)))
                  return e.value;
          }
          return null;
      }

   

• remove方法
  remove方法和put get类似，计算hash，计算index，然后遍历查找，将找到的元素从table[index]链表移除

      public V remove(Object key) {
          Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
          return (e == null ? null : e.value);
      }
      final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
          int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
          int i = indexFor(hash, table.length);
          Entry<K,V> prev = table[i];
          Entry<K,V> e = prev;
  
          while (e != null) {
              Entry<K,V> next = e.next;
              Object k;
              if (e.hash == hash &&
                  ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                  modCount++;
                  size--;
                  if (prev == e)
                      table[i] = next;
                  else
                      prev.next = next;
                  e.recordRemoval(this);
                  return e;
              }
              prev = e;
              e = next;
          }
  
          return e;
      }

   

• resize方法
  resize方法在hashmap中并没有公开，这个方法实现了非常重要的hashmap扩容，具体过程为：先创建一个容量为table.length*2的新table，修改临界值，然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面
  这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index，而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置

  void resize(int newCapacity) {
          Entry[] oldTable = table;
          int oldCapacity = oldTable.length;
          if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
              threshold = Integer.MAX_VALUE;
              return;
          }
  
          Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
          transfer(newTable);
          table = newTable;
          threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
      }
  
      void transfer(Entry[] newTable) {
          Entry[] src = table;
          int newCapacity = newTable.length;
          for (int j = 0; j < src.length; j++) {
              Entry<K,V> e = src[j];
              if (e != null) {
                  src[j] = null;        
                  do {
                      Entry<K,V> next = e.next;
  //重新对每个元素计算index
                      int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                      e.next = newTable[i];
                      newTable[i] = e;
                      e = next;
                  } while (e != null);
              }
          }
      }

   

• clear()方法
  clear方法非常简单，就是遍历table然后把每个位置置为null，同时修改元素个数为0
  需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素，并不会重置capactiy

   public void clear() {
          modCount++;
          Entry[] tab = table;
          for (int i = 0; i < tab.length; i++)
              tab[i] = null;
          size = 0;
      }

   

• containsKey和containsValue
  containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值，遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值

  public boolean containsKey(Object key) {
          return getEntry(key) != null;
      }
  final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
          int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
          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;
      }

  containsValue方法就比较粗暴了，就是直接遍历所有元素直到找到value，由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别，你别指望它会像containsKey那么高效

  public boolean containsValue(Object value) {
      if (value == null)
              return containsNullValue();
  
      Entry[] tab = table;
          for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
              for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                  if (value.equals(e.value))
                      return true;
      return false;
      }

   

• hash和indexFor
  

  indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length，用于计算index也就是在table数组中的下标
  hash方法是对hashcode进行二次散列，以获得更好的散列值
  为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换

  int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
  int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
  //上面这两行可以这样简化
  int i = key.key.hashCode()%table.length;

   

•   static int hash(int h) {
          // This function ensures that hashCodes that differ only by
          // constant multiples at each bit position have a bounded
          // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
          h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
          return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
      }
  
  
      static int indexFor(int h, int length) {
          return h & (length-1);
      }