标签：java基础要义 hashmap 哈希表 java基础 hash
HashMap在Java开发中有着非常重要的角色地位，每一个Java程序员都应该了解HashMap。
本文主要从源码角度来解析HashMap的设计思路，并且详细地阐述HashMap中的几个概念，并深入探讨HashMap的内部结构和实现细节，讨论HashMap的性能问题，并且在文中贯穿着一些关于HashMap常见问题的讨论。
为了实现上述的设计思路，在HashMap内部，采用了数组+链表的形式来组织键值对Entry<Key,Value>。
HashMap内部维护了一个Entry[] table 数组，当我们使用 new HashMap()创建一个HashMap时，Entry[] table 的默认长度为16。Entry[] table的长度又被称为这个HashMap的容量（capacity）；
对于Entry[] table的每一个元素而言，或为null，或为由若干个Entry<Key,Value>组成的链表。HashMap中Entry<Key,Value>的数目被称为HashMap的大小(size);
Entry[] table中的某一个元素及其对应的Entry<Key,Value>又被称为桶(bucket);
其结构如下图所示：
HashMap内部组织结构由上图所示，现在来看一下HashMap的基本工作流程：
HashMap设计的初衷，是为了尽可能地迅速根据Key的hashCode值, 直接就可以定位到对应的Entry<Key,Value>对象，然后得到Value。
请读者考虑这样一个问题：
当我们使用 HashMap map = new HashMap()语句时，我们会创建一个HashMap对象，它内部的 Entry[] table的大小为 16，我们假定Entry[] table的大小会改变。现在，我们现在向它添加160对Key值完全不同的键值对<Key,Value>，那么，该HashMap内部有可能下面这种情况：即对于每一个桶中的由Entry<Key,Value>组成的链表的长度会非常地长！我们知道，对于查找链表操作的时间复杂度是很高的，为O(n)。这样的一个HashMap的性能会很低很低，如下图所示：
现在再来分析一下这个问题，当前的HashMap能够实现：
1. 根据Key的hashCode，可以直接定位到存储这个Entry<Key,Value>的桶所在的位置，这个时间的复杂度为O(1)；
2. 在桶中查找对应的Entry<Key,Value>对象节点，需要遍历这个桶的Entry<Key,Value>链表，时间复杂度为O(n);
那么，现在，我们应该尽可能地将第2个问题的时间复杂度o(n)降到最低，读者现在是不是有想法了：我们应该要求桶中的链表的长度越短越好！桶中链表的长度越短，所消耗的查找时间就越低，最好就是一个桶中就一个Entry<Key,Value>对象节点就好了！
这样一来，桶中的Entry<Key,Value>对象节点要求尽可能第少，这就要求，HashMap中的桶的数量要多了。
我们知道，HashMap的桶数目，即Entry[] table数组的长度，由于数组是内存中连续的存储单元，它的空间代价是很大的，但是它的随机存取的速度是Java集合中最快的。我们增大桶的数量，而减少Entry<Key,Value>链表的长度，来提高从HashMap中读取数据的速度。这是典型的拿空间换时间的策略。
但是我们不能刚开始就给HashMap分配过多的桶(即Entry[] table 数组起始不能太大)，这是因为数组是连续的内存空间，它的创建代价很大，况且我们不能确定给HashMap分配这么大的空间，它实际到底能够用多少，为了解决这一个问题，HashMap采用了根据实际的情况，动态地分配桶的数量。
上述的 HashMap的容量(即Entry[] table的大小) * 加载因子(经验值0.75)就是所谓的阀值(threshold)：
最后，请读者看一个实例：
默认创建的HashMap map =new HashMap();map的容量是
16，那么，当我们往 map中添加第几个完全不同的键值对<Key,Value>时，HashMap的容量会扩充呢？
呵呵，很简单的计算：由于默认的加载因子是0.75 ，那么，此时map的阀值是 16*0.75
= 12，即添加第13 个键值对<Key,Value>的时候，map的容量会扩充一倍。
这时候读者可能会有疑问：本来Entry[] table的容量是16，当放入12个键值对<Key,Value>后，不是至少还剩下4个Entry[] table 元素没有被使用到吗？这不是浪费了宝贵的空间了吗？！ 确实如此，但是为了尽可能第减少桶中的Entry<Key,Value>链表的长度，以提高HashMap的存取性能，确定的这个经验值。如果读者你对存取效率要求的不是太高，想省点空间的话，你可以new HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)构造方法将这个因子设置得大一些也无妨。
HashMap的算法实现最重要的两个是put() 和get() 两个方法，下面我将分析这两个方法：
public V put(K key, V value); public V get(Object key);
另外，HashMap支持Key值为null 的情况，我也将详细地讨论这个问题。
详细流程如下列的代码所示：
/** * 将<Key,Value>键值对存到HashMap中，如果Key在HashMap中已经存在，那么最终返回被替换掉的Value值。 * Key 和Value允许为空 */ public V put(K key, V value) { //1.如果key为null，那么将此value放置到table[0],即第一个桶中 if (key == null) return putForNullKey(value); //2.重新计算hashcode值， int hash = hash(key.hashCode()); //3.计算当前hashcode值应当被分配到哪一个桶中，获取桶的索引 int i = indexFor(hash, table.length); //4.循环遍历该桶中的Entry列表 for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; //5. 查找Entry<Key,Value>链表中是否已经有了以Key值为Key存储的Entry<Key,Value>对象, //已经存在,则将Value值覆盖到对应的Entry<Key,Value>对象节点上 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {//请读者注意这个判定条件，非常重要！！！ V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; //6不存在，则根据键值对<Key,Value> 创建一个新的Entry<Key,Value>对象，然后添加到这个桶的Entry<Key,Value>链表的头部。 addEntry(hash, key, value, i); return null; } /** * Key 为null,则将Entry<null,Value>放置到第一桶table[0]中 */ 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; }
/** * 根据特定的hashcode 重新计算hash值， * 由于JVM生成的的hashcode的低字节(lower bits)冲突概率大，（JDK只是这么一说，至于为什么我也不清楚） * 为了提高性能，HashMap对Key的hashcode再加工，取Key的hashcode的高字节参与运算 */ 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); } /** * 返回此hashcode应当分配到的桶的索引 */ static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1); }
根据特定的Key值从HashMap中取Value的结果就比较简单了：
具体算法如下：
/** * Returns the value to which the specified key is mapped, * or {@code null} if this map contains no mapping for the key. * 返回key对应的Value值，如果HashMap中没有，则返回null； * 支持Key为null情况 * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null : * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise * it returns {@code null}. (There can be at most one such mapping.) * * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i> * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}. * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to * distinguish these two cases. * * @see #put(Object, Object) */ public V get(Object key) { if (key == null) return getForNullKey(); int hash = hash(key.hashCode()); //遍历列表 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; }
HashMap允许Key以null的形式存取，Hashmap会将Key为null组成的Entry<null,Value>放置到table[0],即第一个桶中，在put()和get()操作时，会先对Key 为null的值特殊处理：
/** * Offloaded version of get() to look up null keys. Null keys map * to index 0. This null case is split out into separate methods * for the sake of performance in the two most commonly used * operations (get and put), but incorporated with conditionals in * others. * get 操作 */ private V getForNullKey() { for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) { if (e.key == null) return e.value; } return null; }
/** * Key 为null,则将Entry<null,Value>放置到第一桶table[0]中 */ 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; }
根据key值移除键值对的操作也比较简单，内部关键的流程分为两个：
1. 根据Key的hashcode 值和Key定位到Entry<key,Value> 对象在HashMap中的位置；
2. 由于Entry<Key,Value>是一个链表元素，之后便是链表删除节点的操作了；
/** * Removes the mapping for the specified key from this map if present. * * @param key key whose mapping is to be removed from the map * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or * <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>. * (A <tt>null</tt> return can also indicate that the map * previously associated <tt>null</tt> with <tt>key</tt>.) */ public V remove(Object key) { Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key); return (e == null ? null : e.value); } /** * Removes and returns the entry associated with the specified key * in the HashMap. Returns null if the HashMap contains no mapping * for this key. */ 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; }
1. HashMap是线程不安全的，如果想使用线程安全的,可以使用Hashtable；它提供的功能和Hashmap基本一致。HashMap实际上是一个Hashtable的轻量级实现；
2. 允许以Key为null的形式存储<null,Value>键值对；
3. HashMap的查找效率非常高，因为它使用Hash表对进行查找，可直接定位到Key值所在的桶中；
4. 使用HashMap时，要注意HashMap容量和加载因子的关系，这将直接影响到HashMap的性能问题。加载因子过小，会提高HashMap的查找效率，但同时也消耗了大量的内存空间，加载因子过大，节省了空间，但是会导致HashMap的查找效率降低。
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原文地址：http://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/41576373
