HashMap的实现原理和底层数据结构

来源:互联网 发布:acrobat reader mac 编辑:程序博客网 时间:2024/05/01 18:54

看了下JAVA里面有HashMap、Hashtable、HashSet三种hash集合的实现源码,这里总结下,理解错误的地方还望指正

HashMap和Hashtable的区别

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap的简化实现MyHashMap

 

HashMap和Hashtable的区别

  1. 两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全
    Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理
  2. HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key
    虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事
    HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上
  3. HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类
  4. HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75
    HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1
  5. 两者计算hash的方法不同
    Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模
    int hash = key.hashCode();int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

    HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸

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    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);    }
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  6. HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

除开HashMap和Hashtable外,还有一个hash集合HashSet,有所区别的是HashSet不是key value结构,仅仅是存储不重复的元素,相当于简化版的HashMap,只是包含HashMap中的key而已

通过查看源码也证实了这一点,HashSet内部就是使用HashMap实现,只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已,因此HashSet也是非线程安全的,至于HashSet和Hashtable的区别,HashSet就是个简化的HashMap的,所以你懂的
下面是HashSet几个主要方法的实现

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  private transient HashMap<E,Object> map;
private static final Object PRESENT = new Object();
public HashSet() { map = new HashMap<E,Object>(); } public boolean contains(Object o) { return map.containsKey(o); } public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null; } public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null; } public boolean remove(Object o) { return map.remove(o)==PRESENT; } public void clear() { map.clear(); }
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HashMap和Hashtable的实现原理

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

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

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    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;    }
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  • 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hashint 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;

     

  • 复制代码
      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);    }
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HashMap的简化实现MyHashMap

为了加深理解,我个人实现了一个简化版本的HashMap,注意哦,仅仅是简化版的功能并不完善,仅供参考

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package cn.lzrabbit.structure;/** * Created by rabbit on 14-5-4. */public class MyHashMap {    //默认初始化大小 16    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;    //默认负载因子 0.75    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;    //临界值    private int threshold;    //元素个数    private int size;    //扩容次数    private int resize;    private HashEntry[] table;    public MyHashMap() {        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);        size = 0;    }    private int index(Object key) {        //根据key的hashcode和table长度取模计算key在table中的位置        return key.hashCode() % table.length;    }    public void put(Object key, Object value) {        //key为null时需要特殊处理,为简化实现忽略null值        if (key == null) return;        int index = index(key);        //遍历index位置的entry,若找到重复key则更新对应entry的值,然后返回        HashEntry entry = table[index];        while (entry != null) {            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {                entry.setValue(value);                return;            }            entry = entry.getNext();        }        //若index位置没有entry或者未找到重复的key,则将新key添加到table的index位置        add(index, key, value);    }    private void add(int index, Object key, Object value) {        //将新的entry放到table的index位置第一个,若原来有值则以链表形式存放        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);        table[index] = entry;        //判断size是否达到临界值,若已达到则进行扩容,将table的capacicy翻倍        if (size++ >= threshold) {            resize(table.length * 2);        }    }    private void resize(int capacity) {        if (capacity <= table.length) return;        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];        //遍历原table,将每个entry都重新计算hash放入newTable中        for (int i = 0; i < table.length; i++) {            HashEntry old = table[i];            while (old != null) {                HashEntry next = old.getNext();                int index = index(old.getKey());                old.setNext(newTable[index]);                newTable[index] = old;                old = next;            }        }        //用newTable替table        table = newTable;        //修改临界值        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);        resize++;    }    public Object get(Object key) {        //这里简化处理,忽略null值        if (key == null) return null;        HashEntry entry = getEntry(key);        return entry == null ? null : entry.getValue();    }    public HashEntry getEntry(Object key) {        HashEntry entry = table[index(key)];        while (entry != null) {            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {                return entry;            }            entry = entry.getNext();        }        return null;    }    public void remove(Object key) {        if (key == null) return;        int index = index(key);        HashEntry pre = null;        HashEntry entry = table[index];        while (entry != null) {            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();                else pre.setNext(entry.getNext());                //如果成功找到并删除,修改size                size--;                return;            }            pre = entry;            entry = entry.getNext();        }    }    public boolean containsKey(Object key) {        if (key == null) return false;        return getEntry(key) != null;    }    public int size() {        return this.size;    }    public void clear() {        for (int i = 0; i < table.length; i++) {            table[i] = null;        }        this.size = 0;    }    @Override    public String toString() {        StringBuilder sb = new StringBuilder();        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize));        for (HashEntry entry : table) {            while (entry != null) {                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");                entry = entry.getNext();            }        }        return sb.toString();    }}class HashEntry {    private final Object key;    private Object value;    private HashEntry next;    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {        this.key = key;        this.value = value;        this.next = next;    }    public Object getKey() {        return key;    }    public Object getValue() {        return value;    }    public void setValue(Object value) {        this.value = value;    }    public HashEntry getNext() {        return next;    }    public void setNext(HashEntry next) {        this.next = next;    }}

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