(轉(zhuǎn))HashMap實(shí)現(xiàn)原理分析

原文鏈接 http://blog.csdn.net/vking_wang/article/details/14166593

1. HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有數(shù)組和鏈表來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，但這兩者基本上是兩個極端。

數(shù)組

數(shù)組存儲區(qū)間是連續(xù)的，占用內(nèi)存嚴(yán)重，故空間復(fù)雜的很大。但數(shù)組的二分查找時間復(fù)雜度小，為O(1)；數(shù)組的特點(diǎn)是：尋址容易，插入和刪除困難；

鏈表

鏈表存儲區(qū)間離散，占用內(nèi)存比較寬松，故空間復(fù)雜度很小，但時間復(fù)雜度很大，達(dá)O（N）。鏈表的特點(diǎn)是：尋址困難，插入和刪除容易。

哈希表

那么我們能不能綜合兩者的特性，做出一種尋址容易，插入刪除也容易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？答案是肯定的，這就是我們要提起的哈希表。哈希表（(Hash table）既滿足了數(shù)據(jù)的查找方便，同時不占用太多的內(nèi)容空間，使用也十分方便。

　　哈希表有多種不同的實(shí)現(xiàn)方法，我接下來解釋的是最常用的一種方法—— 拉鏈法，我們可以理解為“鏈表的數(shù)組” ，如圖：

　　從上圖我們可以發(fā)現(xiàn)哈希表是由數(shù)組+鏈表組成的，一個長度為16的數(shù)組中，每個元素存儲的是一個鏈表的頭結(jié)點(diǎn)。那么這些元素是按照什么樣的規(guī)則存儲到數(shù)組中呢。一般情況是通過hash(key)%len獲得，也就是元素的key的哈希值對數(shù)組長度取模得到。比如上述哈希表中，12%16=12,28%16=12,108%16=12,140%16=12。所以12、28、108以及140都存儲在數(shù)組下標(biāo)為12的位置。

　　HashMap其實(shí)也是一個線性的數(shù)組實(shí)現(xiàn)的,所以可以理解為其存儲數(shù)據(jù)的容器就是一個線性數(shù)組。這可能讓我們很不解，一個線性的數(shù)組怎么實(shí)現(xiàn)按鍵值對來存取數(shù)據(jù)呢？這里HashMap有做一些處理。

　　首先HashMap里面實(shí)現(xiàn)一個靜態(tài)內(nèi)部類Entry，其重要的屬性有 key , value, next，從屬性key,value我們就能很明顯的看出來Entry就是HashMap鍵值對實(shí)現(xiàn)的一個基礎(chǔ)bean，我們上面說到HashMap的基礎(chǔ)就是一個線性數(shù)組，這個數(shù)組就是Entry[]，Map里面的內(nèi)容都保存在Entry[]里面。

/**

* The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.

*/

transient Entry[] table;

2. HashMap的存取實(shí)現(xiàn)

既然是線性數(shù)組，為什么能隨機(jī)存取？這里HashMap用了一個小算法，大致是這樣實(shí)現(xiàn)：

// 存儲時:
int hash = key.hashCode(); // 這個hashCode方法這里不詳述,只要理解每個key的hash是一個固定的int值
int index = hash % Entry[].length;
Entry[index] = value;

// 取值時:
int hash = key.hashCode();
int index = hash % Entry[].length;
return Entry[index];

1）put

疑問：如果兩個key通過hash%Entry[].length得到的index相同，會不會有覆蓋的危險？

　　這里HashMap里面用到鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一個概念。上面我們提到過Entry類里面有一個next屬性，作用是指向下一個Entry。打個比方，第一個鍵值對A進(jìn)來，通過計(jì)算其key的hash得到的index=0，記做:Entry[0] = A。一會后又進(jìn)來一個鍵值對B，通過計(jì)算其index也等于0，現(xiàn)在怎么辦？HashMap會這樣做:B.next = A,Entry[0] = B,如果又進(jìn)來C,index也等于0,那么C.next = B,Entry[0] = C；這樣我們發(fā)現(xiàn)index=0的地方其實(shí)存取了A,B,C三個鍵值對,他們通過next這個屬性鏈接在一起。所以疑問不用擔(dān)心。也就是說數(shù)組中存儲的是最后插入的元素。到這里為止，HashMap的大致實(shí)現(xiàn)，我們應(yīng)該已經(jīng)清楚了。

public V put(K key, V value) {

if (key == null)

return putForNullKey(value); //null總是放在數(shù)組的第一個鏈表中

int hash = hash(key.hashCode());

int i = indexFor(hash, table.length);

//遍歷鏈表

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {

Object k;

//如果key在鏈表中已存在，則替換為新value

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;

}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {

Entry<K,V> e = table[bucketIndex];

table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //參數(shù)e, 是Entry.next

//如果size超過threshold，則擴(kuò)充table大小。再散列

if (size++ >= threshold)

resize(2 * table.length);

}

　　當(dāng)然HashMap里面也包含一些優(yōu)化方面的實(shí)現(xiàn)，這里也說一下。比如：Entry[]的長度一定后，隨著map里面數(shù)據(jù)的越來越長，這樣同一個index的鏈就會很長，會不會影響性能？HashMap里面設(shè)置一個因子，隨著map的size越來越大，Entry[]會以一定的規(guī)則加長長度。

2）get

public V get(Object key) {

if (key == null)

return getForNullKey();

int hash = hash(key.hashCode());

//先定位到數(shù)組元素，再遍歷該元素處的鏈表

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;

}

3）null key的存取

null key總是存放在Entry[]數(shù)組的第一個元素。

private V putForNullKey(V value) {

for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {

if (e.key == null) {

V oldValue = e.value;

e.value = value;

e.recordAccess(this);

return oldValue;

}

modCount++;

addEntry(0, null, value, 0);

return null;

}

private V getForNullKey() {

for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {

if (e.key == null)

return e.value;

}

return null;

}

4）確定數(shù)組index：hashcode % table.length取模

HashMap存取時，都需要計(jì)算當(dāng)前key應(yīng)該對應(yīng)Entry[]數(shù)組哪個元素，即計(jì)算數(shù)組下標(biāo)；算法如下：

/**

* Returns index for hash code h.

*/

static int indexFor(int h, int length) {

return h & (length-1);

}

按位取并，作用上相當(dāng)于取模mod或者取余%。

這意味著數(shù)組下標(biāo)相同，并不表示hashCode相同。

5）table初始大小

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {

.....

// Find a power of 2 >= initialCapacity

int capacity = 1;

while (capacity < initialCapacity)

capacity <<= 1;

this.loadFactor = loadFactor;

threshold = (int)(capacity * loadFactor);

table = new Entry[capacity];

init();

}

注意table初始大小并不是構(gòu)造函數(shù)中的initialCapacity！！

而是 >= initialCapacity的2的n次冪！！！！

————為什么這么設(shè)計(jì)呢？——

3. 解決hash沖突的辦法

開放定址法（線性探測再散列，二次探測再散列，偽隨機(jī)探測再散列）
再哈希法
鏈地址法
建立一個公共溢出區(qū)

Java中hashmap的解決辦法就是采用的鏈地址法。

4. 再散列rehash過程

當(dāng)哈希表的容量超過默認(rèn)容量時，必須調(diào)整table的大小。當(dāng)容量已經(jīng)達(dá)到最大可能值時，那么該方法就將容量調(diào)整到Integer.MAX_VALUE返回，這時，需要創(chuàng)建一張新表，將原表的映射到新表中。

/**

* Rehashes the contents of this map into a new array with a

* larger capacity. This method is called automatically when the

* number of keys in this map reaches its threshold.

*

* If current capacity is MAXIMUM_CAPACITY, this method does not

* resize the map, but sets threshold to Integer.MAX_VALUE.

* This has the effect of preventing future calls.

*

* @param newCapacity the new capacity, MUST be a power of two;

* must be greater than current capacity unless current

* capacity is MAXIMUM_CAPACITY (in which case value

* is irrelevant).

*/

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);

}

/**

* Transfers all entries from current table to newTable.

*/

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;

//重新計(jì)算index

int i = indexFor(e.hash, newCapacity);

e.next = newTable[i];

newTable[i] = e;

e = next;

} while (e != null);

}

posted @ 2014-05-06 17:35 懶惰的肥兔閱讀(878) 評論(0) 收藏舉報

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1. HashMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)組

鏈表

哈希表

2. HashMap的存取實(shí)現(xiàn)

1）put

2）get

3）null key的存取

4）確定數(shù)組index：hashcode % table.length取模

5）table初始大小

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