HashMap詳解

　　HashMap 和 HashSet 是 Java Collection Framework 的兩個(gè)重要成員，其中 HashMap 是 Map 接口的常用實(shí)現(xiàn)類(lèi)，HashSet 是 Set 接口的常用實(shí)現(xiàn)類(lèi)。雖然 HashMap 和 HashSet 實(shí)現(xiàn)的接口規(guī)范不同，但它們底層的 Hash 存儲(chǔ)機(jī)制完全一樣，甚至 HashSet 本身就采用 HashMap 來(lái)實(shí)現(xiàn)的（使用HashMap的key來(lái)存儲(chǔ)HashSet的值，value是一個(gè)無(wú)意義的對(duì)象）。

　　通過(guò) HashMap、HashSet 的源代碼分析其 Hash 存儲(chǔ)機(jī)制

　　實(shí)際上，HashSet 和 HashMap 之間有很多相似之處，對(duì)于 HashSet 而言，系統(tǒng)采用 Hash 算法決定集合元素的存儲(chǔ)位置，這樣可以保證能快速存、取集合元素；對(duì)于 HashMap 而言，系統(tǒng) key-value 當(dāng)成一個(gè)整體進(jìn)行處理，系統(tǒng)總是根據(jù) Hash 算法來(lái)計(jì)算 key-value 的存儲(chǔ)位置，這樣可以保證能快速存、取 Map 的 key-value 對(duì)。

　　在介紹集合存儲(chǔ)之前需要指出一點(diǎn)：雖然集合號(hào)稱(chēng)存儲(chǔ)的是 Java 對(duì)象，但實(shí)際上并不會(huì)真正將 Java 對(duì)象放入 Set 集合中，只是在 Set 集合中保留這些對(duì)象的引用而言。也就是說(shuō)：Java 集合實(shí)際上是多個(gè)引用變量所組成的集合，這些引用變量指向?qū)嶋H的 Java 對(duì)象。

　　集合和引用

　　就像引用類(lèi)型的數(shù)組一樣，當(dāng)我們把 Java 對(duì)象放入數(shù)組之時(shí)，并不是真正的把 Java 對(duì)象放入數(shù)組中，只是把對(duì)象的引用放入數(shù)組中，每個(gè)數(shù)組元素都是一個(gè)引用變量。

　　HashMap 的存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)程序試圖將多個(gè) key-value 放入 HashMap 中時(shí)，以如下代碼片段為例：

　　HashMap《 String， Double》 map= newHashMap《 String， Double》（）; map.put（ “高數(shù)”，60.0）; map.put（ “大英”， 89.0）; map.put（ “大物”， 78.2）;

　　HashMap 采用一種所謂的“Hash 算法”來(lái)決定每個(gè)元素的存儲(chǔ)位置。

　　當(dāng)程序執(zhí)行 map.put（“高數(shù)” ， 60.0）; 時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用”高數(shù)”的 hashCode（） 方法得到其 hashCode 值——每個(gè) Java 對(duì)象都有 hashCode（） 方法，都可通過(guò)該方法獲得它的 hashCode 值。得到這個(gè)對(duì)象的 hashCode 值之后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)該 hashCode 值來(lái)決定該元素的存儲(chǔ)位置。

　　我們可以看 HashMap 類(lèi)的 put（K key ， V value） 方法的源代碼：

　　publicV put（K key， V value） { // 如果 key 為 null，調(diào)用 putForNullKey 方法進(jìn)行處理 if（key == null） returnputForNullKey（ value）; // 根據(jù) key 的 keyCode 計(jì)算 Hash 值 inthash = hash（key.hashCode（））; // 搜索指定 hash 值在對(duì)應(yīng) table 中的索引 inti = indexFor（hash， table.length）; // 如果 i 索引處的 Entry 不為 null，通過(guò)循環(huán)不斷遍歷 e 元素的下一個(gè)元素for（Entry《K，V》 e = table［i］; e ！= null; e = e.next） { Object k; // 找到指定 key 與需要放入的 key 相等（hash 值相同 // 通過(guò) equals 比較放回 true） if（e.hash == hash && （（k = e.key） == key || key.equals（k））） { V oldValue = e. value; e. value= value; e.recordAccess（ this）;returnoldValue; } } // 如果 i 索引處的 Entry 為 null，表明此處還沒(méi)有 Entry modCount++; // 將 key、value 添加到 i 索引處 addEntry（hash， key， value， i）; returnnull; }

　　上面程序中用到了一個(gè)重要的內(nèi)部接口：Map.Entry，每個(gè) Map.Entry 其實(shí)就是一個(gè) key-value 對(duì)。從上面程序中可以看出：當(dāng)系統(tǒng)決定存儲(chǔ) HashMap 中的 key-value 對(duì)時(shí)，完全沒(méi)有考慮 Entry 中的 value，僅僅只是根據(jù) key 來(lái)計(jì)算并決定每個(gè) Entry 的存儲(chǔ)位置。這也說(shuō)明了前面的結(jié)論：我們完全可以把 Map 集合中的 value 當(dāng)成 key 的附屬，當(dāng)系統(tǒng)決定了 key 的存儲(chǔ)位置之后，value 隨之保存在那里即可。

　　上面方法提供了一個(gè)根據(jù) hashCode（） 返回值來(lái)計(jì)算 Hash 碼的方法：hash（），這個(gè)方法是一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)計(jì)算，其方法如下：

　　staticinthash（ inth） { h ^= （h 》》》 20） ^ （h 》》》 12）; returnh ^ （h 》》》 7） ^ （h 》》》 4）; }

　　對(duì)于任意給定的對(duì)象，只要它的 hashCode（） 返回值相同，那么程序調(diào)用 hash（int h） 方法所計(jì)算得到的 Hash 碼值總是相同的。接下來(lái)程序會(huì)調(diào)用 indexFor（int h， int length） 方法來(lái)計(jì)算該對(duì)象應(yīng)該保存在 table 數(shù)組的哪個(gè)索引處。indexFor（int h， int length） 方法的代碼如下：

　　static intindexFor（ inth， intlength） { returnh & （ length- 1）; }

　　這個(gè)方法非常巧妙，它總是通過(guò) h &（table.length -1） 來(lái)得到該對(duì)象的保存位置——而 HashMap 底層數(shù)組的長(zhǎng)度總是 2 的 n 次方，這一點(diǎn)可參看后面關(guān)于 HashMap 構(gòu)造器的介紹。

　　當(dāng) length 總是 2 的倍數(shù)時(shí)，h & （length-1） 將是一個(gè)非常巧妙的設(shè)計(jì)：假設(shè) h=5，length=16， 那么 h & length - 1 將得到 5；如果 h=6，length=16， 那么 h & length - 1 將得到 6 ……如果 h=15，length=16， 那么 h & length - 1 將得到 15；但是當(dāng) h=16 時(shí) ， length=16 時(shí)，那么 h & length - 1 將得到 0 了；當(dāng) h=17 時(shí) ， length=16 時(shí)，那么 h & length - 1 將得到 1 了……這樣保證計(jì)算得到的索引值總是位于 table 數(shù)組的索引之內(nèi)。

　　根據(jù)上面 put 方法的源代碼可以看出，當(dāng)程序試圖將一個(gè) key-value 對(duì)放入 HashMap 中時(shí)，程序首先根據(jù)該 key 的 hashCode（） 返回值決定該 Entry 的存儲(chǔ)位置：如果兩個(gè) Entry 的 key 的 hashCode（） 返回值相同，那它們的存儲(chǔ)位置相同。如果這兩個(gè) Entry 的 key 通過(guò) equals 比較返回 true，新添加 Entry 的 value 將覆蓋集合中原有 Entry 的 value，但 key 不會(huì)覆蓋。如果這兩個(gè) Entry 的 key 通過(guò) equals 比較返回 false，新添加的 Entry 將與集合中原有 Entry 形成 Entry 鏈，而且新添加的 Entry 位于 Entry 鏈的頭部——具體說(shuō)明繼續(xù)看 addEntry（） 方法的說(shuō)明。

　　當(dāng)向 HashMap 中添加 key-value 對(duì)，由其 key 的 hashCode（） 返回值決定該 key-value 對(duì)（就是 Entry 對(duì)象）的存儲(chǔ)位置。當(dāng)兩個(gè) Entry 對(duì)象的 key 的 hashCode（） 返回值相同時(shí)，將由 key 通過(guò) eqauls（） 比較值決定是采用覆蓋行為（返回 true），還是產(chǎn)生 Entry 鏈（返回 false）。

　　上面程序中還調(diào)用了 addEntry（hash， key， value， i）; 代碼，其中 addEntry 是 HashMap 提供的一個(gè)包訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的方法，該方法僅用于添加一個(gè) key-value 對(duì)。下面是該方法的代碼：

　　voidaddEntry（ inthash， K key， V value， intbucketIndex） { // 獲取指定 bucketIndex 索引處的 Entry Entry《K，V》 e = table［bucketIndex］; // ① // 將新創(chuàng)建的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，并讓新的 Entry 指向原來(lái)的 Entry table［bucketIndex］ = newEntry《K，V》（hash， key，value， e）; // 如果 Map 中的 key-value 對(duì)的數(shù)量超過(guò)了極限 if（size++ 》= threshold） // 把 table 對(duì)象的長(zhǎng)度擴(kuò)充到 2 倍。 resize（ 2* table.length）; // ② }

　　上面方法的代碼很簡(jiǎn)單，但其中包含了一個(gè)非常優(yōu)雅的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)總是將新添加的 Entry 對(duì)象放入 table 數(shù)組的 bucketIndex 索引處——如果 bucketIndex 索引處已經(jīng)有了一個(gè) Entry 對(duì)象，那新添加的 Entry 對(duì)象指向原有的 Entry 對(duì)象（產(chǎn)生一個(gè) Entry 鏈），如果 bucketIndex 索引處沒(méi)有 Entry 對(duì)象，也就是上面程序①號(hào)代碼的 e 變量是 null，也就是新放入的 Entry 對(duì)象指向 null，也就是沒(méi)有產(chǎn)生 Entry 鏈。

　　JDK 源碼

　　在 JDK 安裝目錄下可以找到一個(gè) src.zip 壓縮文件，該文件里包含了 Java 基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)的所有源文件。只要讀者有學(xué)習(xí)興趣，隨時(shí)可以打開(kāi)這份壓縮文件來(lái)閱讀 Java 類(lèi)庫(kù)的源代碼，這對(duì)提高讀者的編程能力是非常有幫助的。需要指出的是：src.zip 中包含的源代碼并沒(méi)有包含像上文中的中文注釋?zhuān)@些注釋是筆者自己添加進(jìn)去的。

　　Hash 算法的性能選項(xiàng)

　　根據(jù)上面代碼可以看出，在同一個(gè) bucket 存儲(chǔ) Entry 鏈的情況下，新放入的 Entry 總是位于 bucket 中，而最早放入該 bucket 中的 Entry 則位于這個(gè) Entry 鏈的最末端。

　　上面程序中還有這樣兩個(gè)變量：

　　size：該變量保存了該 HashMap 中所包含的 key-value 對(duì)的數(shù)量。

　　threshold：該變量包含了 HashMap 能容納的 key-value 對(duì)的極限，它的值等于 HashMap 的容量乘以負(fù)載因子（load factor）。

　　從上面程序中②號(hào)代碼可以看出，當(dāng) size++ 》= threshold 時(shí)，HashMap 會(huì)自動(dòng)調(diào)用 resize 方法擴(kuò)充 HashMap 的容量。每擴(kuò)充一次，HashMap 的容量就增大一倍。

　　上面程序中使用的 table 其實(shí)就是一個(gè)普通數(shù)組，每個(gè)數(shù)組都有一個(gè)固定的長(zhǎng)度，這個(gè)數(shù)組的長(zhǎng)度就是 HashMap 的容量。HashMap 包含如下幾個(gè)構(gòu)造器：

　　HashMap（）：構(gòu)建一個(gè)初始容量為 16，負(fù)載因子為 0.75 的 HashMap。

　　HashMap（int initialCapacity）：構(gòu)建一個(gè)初始容量為 initialCapacity，負(fù)載因子為 0.75 的 HashMap。

　　HashMap（int initialCapacity， float loadFactor）：以指定初始容量、指定的負(fù)載因子創(chuàng)建一個(gè) HashMap。

　　當(dāng)創(chuàng)建一個(gè) HashMap 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè) table 數(shù)組來(lái)保存 HashMap 中的 Entry，下面是 HashMap 中一個(gè)構(gòu)造器的代碼：

　　// 以指定初始化容量、負(fù)載因子創(chuàng)建 HashMap 我的Java學(xué)習(xí)交流QQ群：589809992public HashMap（ intinitialCapacity， floatloadFactor） { // 初始容量不能為負(fù)數(shù)if（initialCapacity 《 0） throw newIllegalArgumentException（ “Illegal initial capacity： ”+ initialCapacity）; // 如果初始容量大于最大容量，讓出示容量 if（initialCapacity 》 MAXIMUM_CAPACITY） initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // 負(fù)載因子必須大于 0 的數(shù)值 if（loadFactor 《= 0|| Float.isNaN（loadFactor）） throw newIllegalArgumentException（ loadFactor）; // 計(jì)算出大于 initialCapacity 的最小的 2 的 n 次方值。 intcapacity = 1;while（capacity 《 initialCapacity） capacity 《《= 1; this.loadFactor = loadFactor; // 設(shè)置容量極限等于容量 * 負(fù)載因子 threshold = （ int）（capacity * loadFactor）; // 初始化 table 數(shù)組table = newEntry［capacity］; // ① init（）; }

　　上面代碼中粗體字代碼包含了一個(gè)簡(jiǎn)潔的代碼實(shí)現(xiàn)：找出大于 initialCapacity 的、最小的 2 的 n 次方值，并將其作為 HashMap 的實(shí)際容量（由 capacity 變量保存）。例如給定 initialCapacity 為 10，那么該 HashMap 的實(shí)際容量就是 16。

　　程序①號(hào)代碼處可以看到：table 的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)數(shù)組，一個(gè)長(zhǎng)度為 capacity 的數(shù)組。

　　對(duì)于 HashMap 及其子類(lèi)而言，它們采用 Hash 算法來(lái)決定集合中元素的存儲(chǔ)位置。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始初始化 HashMap 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)度為 capacity 的 Entry 數(shù)組，這個(gè)數(shù)組里可以存儲(chǔ)元素的位置被稱(chēng)為“桶（bucket）”，每個(gè) bucket 都有其指定索引，系統(tǒng)可以根據(jù)其索引快速訪(fǎng)問(wèn)該 bucket 里存儲(chǔ)的元素。

　　無(wú)論何時(shí)，HashMap 的每個(gè)“桶”只存儲(chǔ)一個(gè)元素（也就是一個(gè) Entry），由于 Entry 對(duì)象可以包含一個(gè)引用變量（就是 Entry 構(gòu)造器的的最后一個(gè)參數(shù)）用于指向下一個(gè) Entry，因此可能出現(xiàn)的情況是：HashMap 的 bucket 中只有一個(gè) Entry，但這個(gè) Entry 指向另一個(gè) Entry ——這就形成了一個(gè) Entry 鏈。如圖 1 所示：

　　HashMap 的讀取實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng) HashMap 的每個(gè) bucket 里存儲(chǔ)的 Entry 只是單個(gè) Entry ——也就是沒(méi)有通過(guò)指針產(chǎn)生 Entry 鏈時(shí)，此時(shí)的 HashMap 具有最好的性能：當(dāng)程序通過(guò) key 取出對(duì)應(yīng) value 時(shí)，系統(tǒng)只要先計(jì)算出該 key 的 hashCode（） 返回值，在根據(jù)該 hashCode 返回值找出該 key 在 table 數(shù)組中的索引，然后取出該索引處的 Entry，最后返回該 key 對(duì)應(yīng)的 value 即可?？?HashMap 類(lèi)的 get（K key） 方法代碼

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