关于Java中的哈希表
来源:互联网 发布:单词排序 c语言 编辑:程序博客网 时间:2024/06/10 09:28
所谓哈希表(Hash Table,又叫散列表),是存储键值对(Key-value)的表,之所以不叫它Map(键值对一起存储一般叫做Map),是因为它下面的特性:它能把关键码(key)映射到表中的一个位置来直接访问,这样访问速度就非常快。其中的映射函数称为散列函数(Hash function)。
1) 对于关键字key, f(key)是其存储位置,f则是散列函数
2) 如果key1 != key2 但是 f(key1) == f(key2),这种现象称为冲突(collison)。冲突不可避免,这是因为key值无限而表容量总是有限(*见篇末思考题*)。我们追求的是对任意关键字,散列到表中的地址概率是相等的,这样的散列函数为均匀散列函数。
散列函数有多种
× 直接定址法:取关键字或关键字的某个线性函数值为散列地址。即H(key)=key或H(key) = a·key + b,其中a和b为常数(这种散列函数叫做自身函数)
× 数字分析法
× 平方取中法
× 折叠法
× 随机数法
× 除留余数法:取关键字被某个不大于散列表表长m的数p除后所得的余数为散列地址。即 H(key) = key MOD p, p<=m。不仅可以对关键字直接取模,也可在折叠、平方取中等运算之后取模。对p的选择很重要,一般取素数或m,若p选的不好,容易产生同义词。
可以想像,当表中的数据个数接近表的容量大小时,发生冲突的概率会明显增大,因此,在“数据个数/表容量”到达某个比例的时侯,需要扩大表的容量,这个比例称为“装填因子”(load factor).
解决冲突主要有下面两类方法:
× 分离链接法,就是对hash到同一地址的不同元素,用链表连起来,也叫拉链法
× 开放定址法,如果地址有冲突,就在此地址附近找。包括线性探测法,平方探测法,双散列等
然后来看一下Java的Hashtable实现
java.util.Hashtable的本质是个数组,数组的元素是linked的键值对(单向链表)。
private transient Entry[] table; // Entry数组
private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> { int hash; K key; V value; Entry<K,V> next; // Entry此处表明是个单链表 ... }
我们可以使用指定数组大小、装填因子的构造函数,也可以使用默认构造函数,默认数组的大小是11,装填因子是0.75.
public Hashtable(int initialCapacity, float loadFactor) { ... } public Hashtable() { this(11, 0.75f); }
当要扩大数组时,大小变为oldCapacity * 2 + 1,当然这无法保证数组的大小总是素数。
来看下其中的元素插入的方法,put方法:
public synchronized V put(K key, V value) { // Make sure the value is not null if (value == null) { throw new NullPointerException(); } // Makes sure the key is not already in the hashtable. Entry tab[] = table; int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length; for (Entry<K, V> e = tab[index]; e != null; e = e.next) { if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) { V old = e.value; e.value = value; return old; } } }
Java中Object类有几个方法,其中一个是hashCode(), 这说明Java中所有对象都具有这一方法,调用可以得到对象自身的hash码。对表的长度取余得址,并在冲突位置使用链表。
HashMap与Hashtable的功能几乎一样。但HashMap的的初始数组大小是16而不是11,当要扩大数组时,大小变为原来的2倍,默认的装填因子也是0.75. 其put方法如下,对hash值和index都有更改:
public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key.hashCode()); int i = indexFor(hash, table.length); 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; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); return null; } /** * Applies a supplemental hash function to a given hashCode, which * defends against poor quality hash functions. This is critical * because HashMap uses power-of-two length hash tables, that * otherwise encounter collisions for hashCodes that do not differ * in lower bits. Note: Null keys always map to hash 0, thus index 0. */ 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); } /** * Returns index for hash code h. */ static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1); }
再看看其它开源的Java库中的Hashtable
目前存在多个开源的Java Collection实现,各个目的不同,侧重点也不同。以下对开源框架中哈希表的分析主要从几个方面入手:默认装填因子和capacity扩展方式,散列函数以及解决冲突的方法。
1. Trove - Trove库提供一套高效的基础集合类。
gnu.trove.set.hash.THashMap的继承关系:THashMap -> TObjectHash -> THash,其内部的键和值使分别用2个数组表示。其解决冲突的方式采用开放寻址法,开放寻址法对空间要求较高,因此其默认装填因子load factor是0.5,而不是0.75. 下面看代码一步步解释:
默认初始化,装填因子0.5,数组大小始从素数中取,也就是始终是素数。
/** the load above which rehashing occurs. */ public static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.5f; protected int setUp( int initialCapacity ) { int capacity; capacity = PrimeFinder.nextPrime( initialCapacity ); computeMaxSize( capacity ); computeNextAutoCompactionAmount( initialCapacity ); return capacity; }
然后看其put方法,insertKey(T key)是其散列算法,hash码对数组长度取余后,得到index,首先检查该位置是否被占用,如果被占用,使用双散列算法解决冲突,也就是代码中的insertKeyRehash()方法。
public V put(K key, V value) { // insertKey() inserts the key if a slot if found and returns the index int index = insertKey(key); return doPut(value, index); } protected int insertKey(T key) { consumeFreeSlot = false; if (key == null) return insertKeyForNull(); final int hash = hash(key) & 0x7fffffff; int index = hash % _set.length; Object cur = _set[index]; if (cur == FREE) { consumeFreeSlot = true; _set[index] = key; // insert value return index; // empty, all done } if (cur == key || equals(key, cur)) { return -index - 1; // already stored } return insertKeyRehash(key, index, hash, cur); }
2. Javolution - 对实时、内置、高性能系统提供Java解决方案
Javolution中的哈希表是jvolution.util.FastMap, 其内部是双向链表,默认初始大小是16,扩展时变为2倍。并没有显式定义load factor, 从下面语句可以知道,其值为0.5
if (map._entryCount + map._nullCount > (entries.length >> 1)) { // Table more than half empty. map.resizeTable(_isShared); }
再看下put函数,比较惊人的是其index和slot的取得,完全是用hashkey移位的方式取得的,这样同时计算了index和避免了碰撞。
private final Object put(Object key, Object value, int keyHash, boolean concurrent, boolean noReplace, boolean returnEntry) { final FastMap map = getSubMap(keyHash); final Entry[] entries = map._entries; // Atomic. final int mask = entries.length - 1; int slot = -1; for (int i = keyHash >> map._keyShift;; i++) { Entry entry = entries[i & mask]; if (entry == null) { slot = slot < 0 ? i & mask : slot; break; } else if (entry == Entry.NULL) { slot = slot < 0 ? i & mask : slot; } else if ((key == entry._key) || ((keyHash == entry._keyHash) && (_isDirectKeyComparator ? key.equals(entry._key) : _keyComparator.areEqual(key, entry._key)))) { if (noReplace) { return returnEntry ? entry : entry._value; } Object prevValue = entry._value; entry._value = value; return returnEntry ? entry : prevValue; } } ... }
*思考*
如果表容量无限,元素个数也无限,表是否必然能一一对应地包含所有元素?
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