java中Hashmap的实现原理

一、解HashMap源码解读

1、HashMap的存储结构

2、HashMap的初始化

3、元素Hash值获取及通过hash值找到talbe下标索引

4、元素添加方法addEntry

5、HashMap扩容

6、老table重新hash成新table

7、key为null，存到哪去了

8、查找元素get(Object key)

9、根据key删除元素

1、HashMap的存储结构



在HashMap的Field中有：

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transient Entry[] table;

而Entry的定义如下：

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static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

final K key;

V value;

Entry<K,V> next;

final int hash;

.........

}

简单说就是一个数组+链表，结构如下图：



2、HashMap的初始化

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public HashMap() {

this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;

threshold=(int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY*DEFAULT_LOAD_FACTOR);

table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

init();

}

构造方法中出现的几个关键字段：loadFactor ，threshold，CAPACITY，table

其中table上面讲了，是HashMap的存储结构。CAPACITY这个是构建HashMap的时候的容量，这里使用了系统默认的初始容量，loadFactor 是加载因子，用处是和CAPACITY相乘获得threshold，这个文档的说明如下：The next size value at which to resize (capacity * load factor)。其实就是HashMap扩容的临界值，超过这个值，则重新扩容。

这样就说明了loadFactor 的用处了。这里有人要问了。为什么要这个东西。这里就涉及到HashMap的原理了。HashMap中存储元素的时候，首先得先通过其自己的hash算法找到存储在talbe数组的索引值。但是这个hash算法并不能保证，每一个元素对应不同的talbe数组的索引值，当放入HashMap的元素过多的时候，就容易出现相同的索引值，在算法里叫冲突，这时候元素就会被加到该索引值下的链表当中，这样查找的效率就会大大降低，这显然违背了HashMap快速查找的初衷了。所有HashMap在设计的时候，就是用了这样一个加载因子，如果存储的元素个数占table长度的比例大于loadFactor
加载因子的时候，冲突加剧，这样我们就得扩容解决这样的问题。

所以总结影响HashMap效率的两个因素：1.初始容量 2.加载因子。解决的本质无非就是减少hash冲突。

3、元素Hash值获取及通过hash值找到talbe下标索引



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static int hash(int h) {

h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);

return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

}

这个不深究，结果是获得一个随机点的hash值

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static int indexFor(int h, int length) {

return h & (length-1);

}

这个就是获得元素对应table下标索引的方法，h是通过上面的hash(int h)方法获得，length是table的长度

4、元素添加方法addEntry



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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);

if (size++ >= threshold)

resize(2 * table.length);

}

//Entry的构造方法

Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {

value = v;

next = n;

key = k;

hash = h;

}

addEntry方法里出现的几个参数分别是：hash-->元素key的hash值，key，value不用说了，bucketIndex是计算出来的该元素对应的table下标索引。方法的前两句是，根据传入的参数生成一个Entry元素，他的next为现有table[bucketIndex]。

说白了就是将新元素加到该元素对应table[bucketIndex]链表的表头。流程如下图：



5、HashMap扩容



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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);

}

在元素添加方法addEntry中，添加完元素后，有下面两行代码：

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if (size++ >= threshold)

resize(2 * table.length);

size表示的是HashMap中有多少个元素，当元素的个数超过临界值时，会自动调用扩容方法，可以看出HashMap的扩容是翻番的扩2 * table.length。我们在来看看resize扩容方法。

前面几行是判断扩容后是否好过了最大的int值。后面几行是将原来的table中的元素，重新hash放到新的扩容后的table中。可能大家对transfer(newTable)这个方法很困惑。接下来，我们来解读这个方法的实现。

6、老table重新hash成新table

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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;

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

e.next = newTable[i];

newTable[i] = e;

e = next;

} while (e != null);

}

}

}

这个方法的主要作用就是，将老的table中的所有不为空的元素，重新hash放到新的table中去。估计在do之前的大家能很好理解。就是遍历table中不为空的元素。这时候找出来的e = src[j]是一个Entry链表。所以，如果不为空，还要遍历这个链表中的每一个元素，并将这些元素重新hash到新table中。下面我们对于代码讲解。

//将第一个元素e后的链表截取出来

Entry<K,V> next = e.next;

//找到e对应新table的下标索引

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

//将e插入到新table下标索引链表的表头

e.next = newTable[i];

//将该新table下标索引重新定位为e，这样就完成了一个元素的重新hash

newTable[i] = e;

//将截取的剩余的链表继续hash

e = next;

示意图如下：

1、Entry<K,V> next = e.next;



2、e.next = newTable[i];



即这里的e就是Entry[j]，也就是



3、newTable[i] = e;

因为newTable[i]本身是一个指向浅蓝色Entry[i]的引用，这个时候，我们在将这个引用指向红色Entry[j]，这样就完成了老table中一个元素的重新hash到新table中。



7、key为null，存到哪去了

在put方法里头，其实第一行就处理了key=null的情况。

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if (key == null)

return putForNullKey(value);

//那就看看这个putForNullKey是怎么处理的吧。

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;

}

可以看到，前面那个for循环，是在talbe[0]链表中查找key为null的元素，如果找到，则将value重新赋值给这个元素的value，并返回原来的value。

如果上面for循环没找到。则将这个元素添加到talbe[0]链表的表头。

8、查找元素get(Object key)



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public V get(Object key) {

if (key == null)

return getForNullKey();

int hash = 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.equals(k)))

return e.value;

}

return null;

}

前面两行是找key为null的元素，前面说过，key为null的元素，是放在table[0]这个链表的。所以要找的话，直接到table[0]中查找就行了。

如果没找到的话。则根据key的hash值找到元素所在table中下标索引，根据其在找到元素所在链表，在遍历链表，找到该元素并返回其value，否则返回null。

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public V remove(Object key) {

Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);

return (e == null ? null : e.value);

}

调用的还是下面的方法

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;

}

这里while循环外面的很好看懂，我们讨论while循环里的。

Entry<K,V> next = e.next;把原有的链表截出表头元素，然后判断这个表头元素的key是否就是我们要找的key。如果找出的第一个元素就是的话，我们直接将这个链表的第一个元素删除就OK。

if (prev == e)

table[i] = next;

如果不是，则遍历这个链表，下图展示了这个过程：



步骤1、初始情况

Entry<K,V> prev = table[i];

Entry<K,V> e = prev;



步骤2、没找到

Entry<K,V> next = e.next;

……..

prev = e;

e = next;

如果e这个元素不是要删除的话，则遍历下一个元素。



步骤3、找到

prev.next = next;

return e;

将prev的下一个元素指向e.next。这样就相当于删除了e

最后的结果如下：

二.解决hash冲突的办法

开放定址法（线性探测再散列，二次探测再散列，伪随机探测再散列）
再哈希法
链地址法
建立一个公共溢出区

Java中hashmap的解决办法就是采用的链地址法。

三.实现自己的HashMap

Entry.java

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package edu.sjtu.erplab.hash;

public class Entry<K,V>{

final K key;

V value;

Entry<K,V> next;//下一个结点

//构造函数

public Entry(K k, V v, Entry<K,V> n) {

key = k;

value = v;

next = n;

}

public final K getKey() {

return key;

}

public final V getValue() {

return value;

}

public final V setValue(V newValue) {

V oldValue = value;

value = newValue;

return oldValue;

}

public final boolean equals(Object o) {

if (!(o instanceof Entry))

return false;

Entry e = (Entry)o;

Object k1 = getKey();

Object k2 = e.getKey();

if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {

Object v1 = getValue();

Object v2 = e.getValue();

if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))

return true;

}

return false;

}

public final int hashCode() {

return (key==null ? 0 : key.hashCode()) ^ (value==null ? 0 : value.hashCode());

}

public final String toString() {

return getKey() + "=" + getValue();

}

}

MyHashMap.java

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package edu.sjtu.erplab.hash;

//保证key与value不为空

public class MyHashMap<K, V> {

private Entry[] table;//Entry数组表

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;//默认数组长度

private int size;

// 构造函数

public MyHashMap() {

table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];

size = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;

}

//获取数组长度

public int getSize() {

return size;

}

// 求index

static int indexFor(int h, int length) {

return h % (length - 1);

}

//获取元素

public V get(Object key) {

if (key == null)

return null;

int hash = key.hashCode();// key的哈希值

int index = indexFor(hash, table.length);// 求key在数组中的下标

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

Object k = e.key;

if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k)))

return e.value;

}

return null;

}

// 添加元素

public V put(K key, V value) {

if (key == null)

return null;

int hash = key.hashCode();

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

// 如果添加的key已经存在，那么只需要修改value值即可

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

Object k = e.key;

if (e.key.hashCode() == hash && (k == key || key.equals(k))) {

V oldValue = e.value;

e.value = value;

return oldValue;// 原来的value值

}

}

// 如果key值不存在，那么需要添加

Entry<K, V> e = table[index];// 获取当前数组中的e

table[index] = new Entry<K, V>(key, value, e);// 新建一个Entry，并将其指向原先的e

return null;

}

}

MyHashMapTest.java

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package edu.sjtu.erplab.hash;

public class MyHashMapTest {

public static void main(String[] args) {

MyHashMap<Integer, Integer> map = new MyHashMap<Integer, Integer>();

map.put(1, 90);

map.put(2, 95);

map.put(17, 85);

System.out.println(map.get(1));

System.out.println(map.get(2));

System.out.println(map.get(17));

System.out.println(map.get(null));

}

}