hashmap實(shí)現(xiàn)原理淺析

看了下JAVA里面有HashMap、Hashtable、HashSet三種hash集合的實(shí)現(xiàn)源碼，這里總結(jié)下，理解錯(cuò)誤的地方還望指正

HashMap和Hashtable的區(qū)別

HashSet和HashMap、Hashtable的區(qū)別

HashMap和Hashtable的實(shí)現(xiàn)原理

HashMap的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)MyHashMap

HashMap和Hashtable的區(qū)別

兩者最主要的區(qū)別在于Hashtable是線程安全，而HashMap則非線程安全
Hashtable的實(shí)現(xiàn)方法里面都添加了synchronized關(guān)鍵字來確保線程同步，因此相對(duì)而言HashMap性能會(huì)高一些，我們平時(shí)使用時(shí)若無特殊需求建議使用HashMap，在多線程環(huán)境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法來獲取一個(gè)線程安全的集合（Collections.synchronizedMap()實(shí)現(xiàn)原理是Collections定義了一個(gè)SynchronizedMap的內(nèi)部類，這個(gè)類實(shí)現(xiàn)了Map接口，在調(diào)用方法時(shí)使用synchronized來保證線程同步,當(dāng)然了實(shí)際上操作的還是我們傳入的HashMap實(shí)例，簡(jiǎn)單的說就是Collections.synchronizedMap()方法幫我們?cè)诓僮鱄ashMap時(shí)自動(dòng)添加了synchronized來實(shí)現(xiàn)線程同步，類似的其它Collections.synchronizedXX方法也是類似原理）
HashMap可以使用null作為key，而Hashtable則不允許null作為key
雖說HashMap支持null值作為key，不過建議還是盡量避免這樣使用，因?yàn)橐坏┎恍⌒氖褂昧耍粢虼艘l(fā)一些問題，排查起來很是費(fèi)事
HashMap以null作為key時(shí)，總是存儲(chǔ)在table數(shù)組的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)上
HashMap是對(duì)Map接口的實(shí)現(xiàn)，HashTable實(shí)現(xiàn)了Map接口和Dictionary抽象類
HashMap的初始容量為16，Hashtable初始容量為11，兩者的填充因子默認(rèn)都是0.75
HashMap擴(kuò)容時(shí)是當(dāng)前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable擴(kuò)容時(shí)是容量翻倍+1即:capacity*2+1

兩者計(jì)算hash的方法不同
Hashtable計(jì)算hash是直接使用key的hashcode對(duì)table數(shù)組的長(zhǎng)度直接進(jìn)行取模

int hash = key.hashCode();
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

HashMap計(jì)算hash對(duì)key的hashcode進(jìn)行了二次hash，以獲得更好的散列值，然后對(duì)table數(shù)組長(zhǎng)度取摸

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);
    }

HashMap和Hashtable的底層實(shí)現(xiàn)都是數(shù)組+鏈表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

HashSet和HashMap、Hashtable的區(qū)別

除開HashMap和Hashtable外，還有一個(gè)hash集合HashSet，有所區(qū)別的是HashSet不是key value結(jié)構(gòu)，僅僅是存儲(chǔ)不重復(fù)的元素，相當(dāng)于簡(jiǎn)化版的HashMap，只是包含HashMap中的key而已

通過查看源碼也證實(shí)了這一點(diǎn)，HashSet內(nèi)部就是使用HashMap實(shí)現(xiàn)，只不過HashSet里面的HashMap所有的value都是同一個(gè)Object而已，因此HashSet也是非線程安全的，至于HashSet和Hashtable的區(qū)別，HashSet就是個(gè)簡(jiǎn)化的HashMap的，所以你懂的
下面是HashSet幾個(gè)主要方法的實(shí)現(xiàn)

  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();
    }

HashMap和Hashtable的實(shí)現(xiàn)原理

HashMap和Hashtable的底層實(shí)現(xiàn)都是數(shù)組+鏈表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，這點(diǎn)上完全一致

添加、刪除、獲取元素時(shí)都是先計(jì)算hash，根據(jù)hash和table.length計(jì)算index也就是table數(shù)組的下標(biāo)，然后進(jìn)行相應(yīng)操作，下面以HashMap為例說明下它的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

  /**
     * HashMap的默認(rèn)初始容量 必須為2的n次冪
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量，可以認(rèn)為是int的最大值    
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 默認(rèn)的加載因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)組
     */
    transient Entry[] table;

HashMap的創(chuàng)建
HashMap默認(rèn)初始化時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)容量為16的Entry數(shù)組，默認(rèn)加載因子為0.75，同時(shí)設(shè)置臨界值為16*0.75

    /**
     * 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();
    }

put方法
HashMap會(huì)對(duì)null值key進(jìn)行特殊處理，總是放到table[0]位置
put過程是先計(jì)算hash然后通過hash與table.length取摸計(jì)算index值，然后將key放到table[index]位置，當(dāng)table[index]已存在其它元素時(shí)，會(huì)在table[index]位置形成一個(gè)鏈表，將新添加的元素放在table[index]，原來的元素通過Entry的next進(jìn)行鏈接，這樣以鏈表形式解決hash沖突問題，當(dāng)元素?cái)?shù)量達(dá)到臨界值(capactiy*factor)時(shí)，則進(jìn)行擴(kuò)容，是table數(shù)組長(zhǎng)度變?yōu)閠able.length*2

 public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value); //處理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//計(jì)算hash
        int i = indexFor(hash, table.length);//計(jì)算在數(shù)組中的存儲(chǔ)位置
    //遍歷table[i]位置的鏈表，查找相同的key，若找到則使用新的value替換掉原來的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;
            }
        }
    //若沒有在table[i]位置找到相同的key，則添加key到table[i]位置，新的元素總是在table[i]位置的第一個(gè)元素，原來的元素后移
        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，新的元素總是在table[bucketIndex]的第一個(gè)元素，原來的元素后移
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    //判斷元素個(gè)數(shù)是否達(dá)到了臨界值，若已達(dá)到臨界值則擴(kuò)容，table長(zhǎng)度翻倍
        if (size++ >= threshold)
            resize(2 * table.length);
    }

get方法
同樣當(dāng)key為null時(shí)會(huì)進(jìn)行特殊處理，在table[0]的鏈表上查找key為null的元素
get的過程是先計(jì)算hash然后通過hash與table.length取摸計(jì)算index值，然后遍歷table[index]上的鏈表，直到找到key，然后返回

public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();//處理null值
        int hash = hash(key.hashCode());//計(jì)算hash
    //在table[index]遍歷查找key，若找到則返回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;
    }

remove方法
remove方法和put get類似，計(jì)算hash，計(jì)算index，然后遍歷查找，將找到的元素從table[index]鏈表移除

    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;
    }

resize方法
resize方法在hashmap中并沒有公開，這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)了非常重要的hashmap擴(kuò)容，具體過程為：先創(chuàng)建一個(gè)容量為table.length*2的新table，修改臨界值，然后把table里面元素計(jì)算hash值并使用hash與table.length*2重新計(jì)算index放入到新的table里面
這里需要注意下是用每個(gè)元素的hash全部重新計(jì)算index，而不是簡(jiǎn)單的把原table對(duì)應(yīng)index位置元素簡(jiǎn)單的移動(dòng)到新table對(duì)應(yīng)位置

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;
                    //重新對(duì)每個(gè)元素計(jì)算index
                    int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                    e.next = newTable[i];
                    newTable[i] = e;
                    e = next;
                } while (e != null);
            }
        }
    }

clear()方法
clear方法非常簡(jiǎn)單，就是遍歷table然后把每個(gè)位置置為null，同時(shí)修改元素個(gè)數(shù)為0
需要注意的是clear方法只會(huì)清楚里面的元素，并不會(huì)重置capactiy
```
 public void clear() {
        modCount++;
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length; i++)
            tab[i] = null;
        size = 0;
    }
```

containsKey和containsValue
containsKey方法是先計(jì)算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值，遍歷table[index]元素查找是否包含key相同的值

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;
    }

containsValue方法就比較粗暴了，就是直接遍歷所有元素直到找到value，由此可見HashMap的containsValue方法本質(zhì)上和普通數(shù)組和list的contains方法沒什么區(qū)別，你別指望它會(huì)像containsKey那么高效

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;
    }

hash和indexFor

indexFor中的h & (length-1)就相當(dāng)于h%length，用于計(jì)算index也就是在table數(shù)組中的下標(biāo)
hash方法是對(duì)hashcode進(jìn)行二次散列，以獲得更好的散列值
為了更好理解這里我們可以把這兩個(gè)方法簡(jiǎn)化為 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法為例可以這樣替換

int hash = hash(key.hashCode());//計(jì)算hash
int i = indexFor(hash, table.length);//計(jì)算在數(shù)組中的存儲(chǔ)位置
//上面這兩行可以這樣簡(jiǎn)化
int i = key.key.hashCode()%table.length;

  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);
    }

HashMap的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)MyHashMap

為了加深理解，我個(gè)人實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)化版本的HashMap，注意哦，僅僅是簡(jiǎn)化版的功能并不完善，僅供參考

package cn.lzrabbit.structure;

/**
 * Created by rabbit on 14-5-4.
 */
public class MyHashMap {

    //默認(rèn)初始化大小 16
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    //默認(rèn)負(fù)載因子 0.75
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //臨界值
    private int threshold;

    //元素個(gè)數(shù)
    private int size;

    //擴(kuò)容次數(shù)
    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) {
        //根據(jù)key的hashcode和table長(zhǎng)度取模計(jì)算key在table中的位置
        return key.hashCode() % table.length;
    }

    public void put(Object key, Object value) {
        //key為null時(shí)需要特殊處理，為簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)忽略null值
        if (key == null) return;
        int index = index(key);

        //遍歷index位置的entry，若找到重復(fù)key則更新對(duì)應(yīng)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位置沒有entry或者未找到重復(fù)的key，則將新key添加到table的index位置
        add(index, key, value);
    }

    private void add(int index, Object key, Object value) {
        //將新的entry放到table的index位置第一個(gè)，若原來有值則以鏈表形式存放
        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);
        table[index] = entry;
        //判斷size是否達(dá)到臨界值，若已達(dá)到則進(jìn)行擴(kuò)容，將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];
        //遍歷原table，將每個(gè)entry都重新計(jì)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;
        //修改臨界值
        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        resize++;
    }

    public Object get(Object key) {
        //這里簡(jiǎn)化處理，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());
                //如果成功找到并刪除，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;
    }
}

MyHashMap

posted @ 2014-05-11 10:19 懶惰的肥兔閱讀(27799) 評(píng)論(3) 收藏舉報(bào)

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hashmap實(shí)現(xiàn)原理淺析

HashMap和Hashtable的區(qū)別

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