深入解析Java对象的hashCode和hashCode在HashMap的底层数据结构的应用

java对象的比较

等号(==)：

对比对象实例的内存地址（也即对象实例的ID），来判断是否是同一对象实例；又可以说是判断对象实例是否物理相等；

 

equals()：

对比两个对象实例是否相等。

当对象所属的类没有重写根类Object的equals()方法时，equals()判断的是对象实例的ID（内存地址），是否是同一对象实例；该方法就是使用的等号(==)的判断结果，如Object类的源代码所示：

public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}

当对象所属的类重写equals()方法（可能因为需要自己特有的“逻辑相等”概念)时，equals()判断的根据就因具体实现而异，有些类是需要比较对象的某些值或内容，如String类重写equals()来判断字符串的值是否相等。判断逻辑相等。

hashCode():

计算出对象实例的哈希码，并返回哈希码，又称为散列函数。根类Object的hashCode()方法的计算依赖于对象实例的ID（内存地址），故每个Object对象的hashCode都是唯一的；当然，当对象所对应的类重写了hashCode()方法时，结果就截然不同了。

 

二、Java的类为什么需要hashCode？---hashCode的作用，从Java中的集合的角度看。

　　总的来说，Java中的集合（Collection）有两类，一类是List，再有一类是Set。你知道它们的区别吗？前者集合内的元素是有序的，元素可以重复；后者元素无序，但元素不可重复。那么这里就有一个比较严重的问题了：要想保证元素不重复，可两个元素是否重复应该依据什么来判断呢？这就是 Object.equals方法了。但是，如果每增加一个元素就检查一次，那么当元素很多时，后添加到集合中的元素比较的次数就非常多了。也就是说，如果集合中现在已经有1000个元素，那么第1001个元素加入集合时，它就要调用1000次equals方法。这显然会大大降低效率。

    于是，Java采用了哈希表的原理。哈希算法也称为散列算法，当集合要添加新的元素时，将对象通过哈希算法计算得到哈希值（正整数），然后将哈希值和集合（数组）长度进行&运算，得到该对象在该数组存放的位置索引。如果这个位置上没有元素，它就可以直接存储在这个位置上，不用再进行任何比较了；如果这个位置上已经有元素了，就调用它的equals方法与新元素进行比较，相同的话就不存了，不相同就表示发生冲突了，散列表对于冲突有具体的解决办法，但最终还会将新元素保存在适当的位置。

    这样一来，实际调用equals方法比较的次数就大大降低了，几乎只需要一两次。

    简而言之，在集合查找时，hashcode能大大降低对象比较次数，提高查找效率！

 

 

 

三、Java  对象的equal方法和hashCode方法的关系

首先，Java对象相同指的是两个对象通过eqauls方法判断的结果为true

 

Java对象的eqauls方法和hashCode方法是这样规定的：

1、相等（相同）的对象必须具有相等的哈希码（或者散列码）。

2、如果两个对象的hashCode相同，它们并不一定相同。

 

关于第一点，

 想象一下，假如两个Java对象A和B，A和B相等（eqauls结果为true），但A和B的哈希码不同，则A和B存入HashMap时的哈希码计算得到的HashMap内部数组位置索引可能不同，那么A和B很有可能允许同时存入HashMap，显然相等/相同的元素是不允许同时存入HashMap，HashMap不允许存放重复元素。

 

 关于第二点，

 也就是说，不同对象的hashCode可能相同；假如两个Java对象A和B，A和B不相等（eqauls结果为false），但A和B的哈希码相等，将A和B都存入HashMap时会发生哈希冲突，也就是A和B存放在HashMap内部数组的位置索引相同这时HashMap会在该位置建立一个链接表，将A和B串起来放在该位置，显然，该情况不违反HashMap的使用原则，是允许的。当然，哈希冲突越少越好，尽量采用好的哈希算法以避免哈希冲突。

 

 

 

四、深入解析HashMap类的底层数据结构

Map接口

　　Map没有继承Collection接口，Map提供key到value的映射。一个Map中不能包含相同的key，每个key只能映射一个 value。Map接口提供3种集合的视图，Map的内容可以被当作一组key集合，一组value集合，或者一组key-value映射。

 

Hashtable类

　　Hashtable继承Map接口，实现一个key-value映射的哈希表。任何非空（non-null）的对象都可作为key或者value。添加数据使用put(key, value)，取出数据使用get(key)，这两个基本操作的时间开销为常数。

Hashtable通过initial capacity和load factor两个参数调整性能。通常缺省的load factor 0.75较好地实现了时间和空间的均衡。增大load factor可以节省空间但相应的查找时间将增大，这会影响像get和put这样的操作。

使用Hashtable的简单示例如下，将1，2，3放到Hashtable中，他们的key分别是”one”，”two”，”three”：

　　　　Hashtable numbers = new Hashtable();

　　　　numbers.put(“one”, new Integer(1));

　　　　numbers.put(“two”, new Integer(2));

　　　　numbers.put(“three”, new Integer(3));

　　要取出一个数，比如2，用相应的key：

　　　　Integer n = (Integer)numbers.get(“two”);

　　　　System.out.println(“two = ” + n);

HashMap

HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现。此实现提供所有可选的映射操作，并允许使用null值和null键。此类不保证映射的顺序，特别是它不保证该顺序恒久不变。

HashMap的数据结构：

HashMap实际上是一个“链表散列”的数据结构，即数组和链表的结合体。首先，HashMap类的属性中定义了Entry类型的数组。Entry类实现java.ultil.Map.Entry接口，同时每一对key和value是作为Entry类的属性被包装在Entry的类中。

如图所示，HashMap的数据结构：



HashMap的部分源码如下：

transient Entry[] table;

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final K key;
V value;
Entry<K,V> next;
final int hash;
……
}

可以看出，HashMap底层就是一个数组结构，数组中的每一项又是一个链表。当新建一个HashMap的时候，就会初始化一个数组。table数组的元素是Entry类型的。每个 Entry元素其实就是一个key-value对，并且它持有一个指向下一个 Entry元素的引用，这就说明table数组的每个Entry元素同时也作为某个Entry链表的首节点，指向了该链表的下一个Entry元素，这就是所谓的“链表散列”数据结构，即数组和链表的结合体。

HashMap的存取实现：

1) 添加元素：

当我们往HashMap中put元素的时候，先根据key的重新计算元素的hashCode，根据hashCode得到这个元素在table数组中的位置（即下标），如果数组该位置上已经存放有其他元素了，那么在这个位置上的元素将以链表的形式存放，新加入的放在链头，最先加入的放在链尾。如果数组该位置上没有元素，就直接将该元素放到此数组中的该位置上。

HashMap的部分源码如下：

public V put(K key, V value) {
// HashMap允许存放null键和null值。
// 当key为null时，调用putForNullKey方法，将value放置在数组第一个位置。
if (key == null)
return putForNullKey(value);
// 根据key的keyCode重新计算hash值。
int hash = hash(key.hashCode());
// 搜索指定hash值在对应table中的索引。
int i = indexFor(hash, table.length);
// 如果 i 索引处的 Entry 不为 null，通过循环不断遍历 e 元素的下一个元素。
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
// 如果发现 i 索引处的链表的某个Entry的hash和新Entry的hash相等且两者的key相同，则新Entry覆盖旧Entry，返回。
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
// 如果i索引处的Entry为null，表明此处还没有Entry。
modCount++;
// 将key、value添加到i索引处。
addEntry(hash, key, value, i);
return null;

2) 读取元素：

有了上面存储时的hash算法作为基础，理解起来这段代码就很容易了。从上面的源代码中可以看出：从HashMap中get元素时，首先计算key的hashCode，找到数组中对应位置的某一元素，然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。

HashMap的部分源码如下：

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;
}

3) 归纳起来简单地说，HashMap 在底层将 key-value 当成一个整体进行处理，这个整体就是一个 Entry 对象。HashMap 底层采用一个 Entry[] 数组来保存所有的 key-value 对，当需要存储一个 Entry 对象时，会根据hash算法来决定其在数组中的存储位置，在根据equals方法决定其在该数组位置上的链表中的存储位置；当需要取出一个Entry时，也会根据hash算法找到其在数组中的存储位置，再根据equals方法从该位置上的链表中取出该Entry。

 

 

 

五、实现相等的对象必须具有相等的哈希码

　　如果相同的对象有不同的hashCode，对哈希表的操作会出现意想不到的结果（期待的get方法返回null），要避免这种问题，只需要牢记一条：要同时复写equals方法和hashCode方法，而不要只写其中一个。

同时复写equals方法和hashCode方法,必须保证“相等的对象必须具有相等的哈希码”，也就是当两个对象通过equals()比较的结果为true时，这两个对象调用hashCode（）方法生成的哈希码必须相等。

 

如何保证相等，可以参考下面的方法：

复写equals方法和hashCode方法时，equals方法的判断根据和计算hashCode的依据相同。如String的equals方法是比较字符串每个字符，String的hashCode也是通过对该字符串每个字符的ASC码简单的算术运算所得，这样就可以保证相同的字符串的hashCode相同且equals()为真。

 

String类的equals方法的源代码：

/**
* Compares this string to the specified object.  The result is {@code
* true} if and only if the argument is not {@code null} and is a {@code
* String} object that represents the same sequence of characters as this
* object.
*
* @param  anObject
*         The object to compare this {@code String} against
*
* @return  {@code true} if the given object represents a {@code String}
*          equivalent to this string, {@code false} otherwise
*
* @see  #compareTo(String)
* @see  #equalsIgnoreCase(String)
*/
public boolean equals(Object anObject) {
if (this == anObject) {
return true;
}
if (anObject instanceof String) {
String anotherString = (String)anObject;
int n = count;
if (n == anotherString.count) {
char v1[] = value;
char v2[] = anotherString.value;
int i = offset;
int j = anotherString.offset;
while (n-- != 0) {
if (v1[i++] != v2[j++])
return false;
}
return true;
}
}
return false;
}

String类的hashCode方法计算hashCode的源代码：

/**
* Returns a hash code for this string. The hash code for a
* <code>String</code> object is computed as
* <blockquote><pre>
* s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
* </pre></blockquote>
* using <code>int</code> arithmetic, where <code>s[i]</code> is the
* <i>i</i>th character of the string, <code>n</code> is the length of
* the string, and <code>^</code> indicates exponentiation.
* (The hash value of the empty string is zero.)
*
* @return  a hash code value for this object.
*/
public int hashCode() {
int h = hash;
int len = count;
if (h == 0 && len > 0) {
int off = offset;
char val[] = value;

for (int i = 0; i < len; i++) {
h = 31*h + val[off++];
}
hash = h;
}
return h;
}