java中Hashmap的实现原理

一、解HashMap源码解读

1、HashMap的存储结构
2、HashMap的初始化 
3、元素Hash值获取及通过hash值找到talbe下标索引 
4、元素添加方法addEntry 
5、HashMap扩容 
6、老table重新hash成新table 
7、key为null，存到哪去了 
8、查找元素get(Object key) 
9、根据key删除元素 


1、HashMap的存储结构 

  在HashMap的Field中有： 

[java] view plaincopy

1. transient Entry[] table;  

  而Entry的定义如下：

[java] view plaincopy

1. static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
2.         final K key;  
3.         V value;  
4.         Entry<K,V> next;  
5.         final int hash;  
6.  .........  
7. }  

简单说就是一个数组+链表，结构如下图： 




2、HashMap的初始化 

[java] view plaincopy

1. public HashMap() {  
2. this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;  
3. threshold=(int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY*DEFAULT_LOAD_FACTOR);  
4. table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];  
5. init();  
6. }  

    构造方法中出现的几个关键字段：loadFactor ，threshold，CAPACITY，table
其中table上面讲了，是HashMap的存储结构。CAPACITY这个是构建HashMap的时候的容量，这里使用了系统默认的初始容量，loadFactor 是加载因子，用处是和CAPACITY相乘获得threshold，这个文档的说明如下：The next size value at which to resize (capacity * load factor)。其实就是HashMap扩容的临界值，超过这个值，则重新扩容。
    这样就说明了loadFactor 的用处了。这里有人要问了。为什么要这个东西。这里就涉及到HashMap的原理了。HashMap中存储元素的时候，首先得先通过其自己的hash算法找到存储在talbe数组的索引值。但是这个hash算法并不能保证，每一个元素对应不同的talbe数组的索引值，当放入HashMap的元素过多的时候，就容易出现相同的索引值，在算法里叫冲突，这时候元素就会被加到该索引值下的链表当中，这样查找的效率就会大大降低，这显然违背了HashMap快速查找的初衷了。所有HashMap在设计的时候，就是用了这样一个加载因子，如果存储的元素个数占table长度的比例大于loadFactor 加载因子的时候，冲突加剧，这样我们就得扩容解决这样的问题。 
    所以总结影响HashMap效率的两个因素：1.初始容量 2.加载因子。解决的本质无非就是减少hash冲突。 

3、元素Hash值获取及通过hash值找到talbe下标索引 

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1. static int hash(int h) {  
2. h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);  
3.     return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);  
4. }  

 

这个不深究，结果是获得一个随机点的hash值 

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1. static int indexFor(int h, int length) {  
2.     return h & (length-1);  
3. }  

    这个就是获得元素对应table下标索引的方法，h是通过上面的hash(int h)方法获得，length是table的长度

4、元素添加方法addEntry 

[java] view plaincopy

1. void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
2.     Entry<K,V> e = table[bucketIndex];  
3.     table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
4.     if (size++ >= threshold)  
5.         resize(2 * table.length);  
6. }  
7. //Entry的构造方法  
8. Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {  
9.     value = v;  
10.     next = n;  
11.     key = k;  
12.     hash = h;  
13. }  

    addEntry方法里出现的几个参数分别是：hash-->元素key的hash值，key，value不用说了，bucketIndex是计算出来的该元素对应的table下标索引。方法的前两句是，根据传入的参数生成一个Entry元素，他的next为现有table[bucketIndex]。
    说白了就是将新元素加到该元素对应table[bucketIndex]链表的表头。流程如下图： 


5、HashMap扩容 

[java] view plaincopy

1. void resize(int newCapacity) {  
2.     Entry[] oldTable = table;  
3.     int oldCapacity = oldTable.length;  
4.     if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {  
5.         threshold = Integer.MAX_VALUE;  
6.         return;  
7.     }  
8.     Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
9.     transfer(newTable);  
10.     table = newTable;  
11.     threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);  
12. }  

在元素添加方法addEntry中，添加完元素后，有下面两行代码： 

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1. if (size++ >= threshold)  
2.     resize(2 * table.length);  

    size表示的是HashMap中有多少个元素，当元素的个数超过临界值时，会自动调用扩容方法，可以看出HashMap的扩容是翻番的扩2 * table.length。我们在来看看resize扩容方法。
    前面几行是判断扩容后是否好过了最大的int值。后面几行是将原来的table中的元素，重新hash放到新的扩容后的table中。可能大家对transfer(newTable)这个方法很困惑。接下来，我们来解读这个方法的实现。

6、老table重新hash成新table  

 

[java] view plaincopy

1. void transfer(Entry[] newTable) {  
2.     Entry[] src = table;  
3.     int newCapacity = newTable.length;  
4.     for (int j = 0; j < src.length; j++) {  
5.         Entry<K,V> e = src[j];  
6.         if (e != null) {  
7.             src[j] = null;  
8.             do {  
9.                 Entry<K,V> next = e.next;  
10.                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);  
11.                 e.next = newTable[i];  
12.                 newTable[i] = e;  
13.                 e = next;  
14.             } while (e != null);  
15.         }  
16.     }  
17. }  

    这个方法的主要作用就是，将老的table中的所有不为空的元素，重新hash放到新的table中去。估计在do之前的大家能很好理解。就是遍历table中不为空的元素。这时候找出来的e = src[j]是一个Entry链表。所以，如果不为空，还要遍历这个链表中的每一个元素，并将这些元素重新hash到新table中。下面我们对于代码讲解。
//将第一个元素e后的链表截取出来 
Entry<K,V> next = e.next; 
//找到e对应新table的下标索引 
int i = indexFor(e.hash, newCapacity); 
//将e插入到新table下标索引链表的表头 
e.next = newTable[i]; 
//将该新table下标索引重新定位为e，这样就完成了一个元素的重新hash 
newTable[i] = e; 
//将截取的剩余的链表继续hash 
e = next; 
示意图如下： 
1、Entry<K,V> next = e.next; 

2、e.next = newTable[i]; 

    即这里的e就是Entry[j]，也就是 

3、newTable[i] = e; 
    因为newTable[i]本身是一个指向浅蓝色Entry[i]的引用，这个时候，我们在将这个引用指向红色Entry[j]，这样就完成了老table中一个元素的重新hash到新table中。


7、key为null，存到哪去了 
    在put方法里头，其实第一行就处理了key=null的情况。 

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1. if (key == null)  
2.     return putForNullKey(value);  
3. //那就看看这个putForNullKey是怎么处理的吧。  
4. private V putForNullKey(V value) {  
5.     for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {  
6.         if (e.key == null) {  
7.             V oldValue = e.value;  
8.             e.value = value;  
9.             e.recordAccess(this);  
10.             return oldValue;  
11.         }  
12.     }  
13.     modCount++;  
14.     addEntry(0, null, value, 0);  
15.     return null;  
16. }  

    可以看到，前面那个for循环，是在talbe[0]链表中查找key为null的元素，如果找到，则将value重新赋值给这个元素的value，并返回原来的value。
    如果上面for循环没找到。则将这个元素添加到talbe[0]链表的表头。 

8、查找元素get(Object key) 

[java] view plaincopy

1. public V get(Object key) {  
2.     if (key == null)  
3.         return getForNullKey();  
4.     int hash = hash(key.hashCode());  
5.     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];e != null;e = e.next) {  
6.         Object k;  
7.         if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))  
8.         return e.value;  
9.     }  
10.     return null;  
11. }  

    前面两行是找key为null的元素，前面说过，key为null的元素，是放在table[0]这个链表的。所以要找的话，直接到table[0]中查找就行了。
    如果没找到的话。则根据key的hash值找到元素所在table中下标索引，根据其在找到元素所在链表，在遍历链表，找到该元素并返回其value，否则返回null。

[java] view plaincopy

1. public V remove(Object key) {  
2.     Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);  
3.     return (e == null ? null : e.value);  
4. }  
5. 调用的还是下面的方法  
6. final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {  
7.         int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());  
8.         int i = indexFor(hash, table.length);  
9.         Entry<K,V> prev = table[i];  
10.         Entry<K,V> e = prev;  
11.         while (e != null) {  
12.             Entry<K,V> next = e.next;  
13.             Object k;  
14.             if (e.hash == hash &&  
15.                 ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {  
16.                 modCount++;  
17.                 size--;  
18.                 if (prev == e)  
19.                     table[i] = next;  
20.                 else  
21.                     prev.next = next;  
22.                 e.recordRemoval(this);  
23.                 return e;  
24.             }  
25.             prev = e;  
26.             e = next;  
27.         }  
28.         return e;  
29.     }  

    这里while循环外面的很好看懂，我们讨论while循环里的。 
Entry<K,V> next = e.next;把原有的链表截出表头元素，然后判断这个表头元素的key是否就是我们要找的key。如果找出的第一个元素就是的话，我们直接将这个链表的第一个元素删除就OK。
if (prev == e) 
      table[i] = next; 
    如果不是，则遍历这个链表，下图展示了这个过程： 

步骤1、初始情况 
Entry<K,V> prev = table[i]; 
Entry<K,V> e = prev; 

步骤2、没找到 
Entry<K,V> next = e.next; 
…….. 
prev = e; 
e = next; 
如果e这个元素不是要删除的话，则遍历下一个元素。 

步骤3、找到 
prev.next = next; 
return e; 
将prev的下一个元素指向e.next。这样就相当于删除了e 
最后的结果如下： 

二.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。

三.实现自己的HashMap

Entry.java

[java] view plaincopy

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. }  

MyHashMap.java

[java] view plaincopy

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. }  

MyHashMapTest.java

[java] view plaincopy

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. }