Map集合的存储机制，源码分析以及冲突解决
2016-09-16 16:49
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HashMap的存储与实现
我们如果要保存一组对象，用我们之前学过的知识，会使用对象数组，但鉴于数组的局限性，数组长度一经定义就不能改变，所以我们使用链表、队列等数据结构操作，但是很麻烦。类集框架就是一个动态的数组，但不受数组长度的限制。
HashMap允许key值为空，（在方法containsValue(Object value)：如果指定值key==null，并且在键值对中有value为null时，也返回true）但是Hashtable不允许，否则会报“NullPointer Expection”异常。
一、HashMap键值对的实现
HashMap是Map接口的实现子类，用于存放一对值，即类中的每一个元素都是以Key---->Value的形式存储。我们知道，在Java集合框架中，无论是将一个对象存放在数组中，还是队列中，其实并不是把这个对象存入其中，而是将对象的引用存入数组或者队列中。在HashMap中，数据的存储同样如此，我们通过调用put(K key,V value)方法存储键值对，方法如下：
Java代码
/**
* 存储关联的键值对
* @param key：键
* @param value：值
* @return
*/
public V put(K key, V value) {
//当键值为null时，调用putForNullKey(value)的方法存储，
//在该方法中调用recordAccess(HashMap<K,V> m)的方法处理
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//根据key的KeyCode，计算hashCode
int hash = hash(key.hashCode());
//调用indexFor方法，返回hash在对应table中的索引(Entry[] table)
int i = indexFor(hash, table.length);
//当i索引处的Entry不为null时，遍历下一个元素
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果遍历到的hash值等于根据Key值计算出的hash值并且
//key值与需要放入的key值相等时，存放与key对应的value值
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
//覆盖oldValue的值
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
//当i索引处的Entry为null时，将指定的key、value、hash条目放入到指定的桶i中
//如果现有HashMap的大小大于容量*负载因子时，resize(2 * table.length);
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
在上面的put(K key,V value)方法中可知，当要存储Key---->Value对时，实际上是存储在一个Entry的对象e中，程序通过key计算出Entry对象的存储位置。换句话说，Key---->Value的对应关系是通过key----Entry----value这个过程实现的，所以就有我们表面上知道的key存在哪里，value就存在哪里。在Map接口中，有一个Entry接口，该接口用于处理key和value的set()和get()方法，所以在Map中存储数据，实际上是将Key---->value的数据存储在Map.Entry接口的实例中，再在Map集合中插入Map.Entry的实例化对象，如图示：
二、HashMap的存储机制
HashMap的内部存储结构其实是数组和链表的结合。当实例化一个HashMap时，系统会创建一个长度为Capacity的Entry数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
每个bucket中存储一个元素，即一个Entry对象，但每一个Entry对象可以带一个引用变量，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Entry链。
HashMap有四种方法：
HashMap()：初始容量16，默认加载因子0.75
HashMap(int initialCapacity)：自定义初始容量
HashMap(int initialCapacity,float loadFactor)：自定义初始容量和加载因子
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m)
这四个构造方法其实都受两个参数的影响：容量和加载因子。容量是哈希表中桶的数量，初始容量为16。加载因子是对哈希表的容量在自动增加resize()之前所达到尺度的描述。当哈希表中的条目数超过threshold(=Capacity*loadFactor) 的值时，要对哈希表进行rehash操作。
默认加载因子 (.75) 在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。
三、HashMap的冲突处理问题
由于哈希函数是一个压缩映象，因此在一班情况下，很容易产生“冲突”现象，即key1 ≠ key2,而f(key1)=f(key2)。而且，由于关键字的集合比较大，这种冲突是不可避免的，所以必须采取合理的解决方案，找出尽量少产生冲突的哈希函数和处理冲突的方法。对于哈希函数的构造，通常有直接定址法、数字分析法、平方取中法、折叠法、除留余数法、随机数法等。而这里重点讲述处理冲突的两种方法。
1、 开放地址法
开放地址法是对那些发生冲突的记录，用hi=(h(key)+di)mod n方法再次确定Hash地址。
n：为哈希表长;
di：为增量序列，其取法有以下三种：
1）线性探测再散列 di= c * i
2）二次探测再散列 di = 12, -12, 22, -22, …,
3) 随机探测再散列 di是一组伪随机数列 或者 di=i×H2(key) (又称双散列函数探测)
例如表长为11的哈希表中已填有关键字为17，60，29的记录，H(key)=key MOD 11,现有第4个记录，其关键字为38
H(38)=38 MOD 11=5 冲突
H1=(5+1) MOD 11=6 冲突
H2=(5+2) MOD 11=7 冲突
H3=(5+3) MOD 11=8 不冲突
对于其他增量序列的方法也是如此计算。
2、链地址法
将所有哈希地址相同的记录都链接在同一链表中图形类似于图2。也就是说，当HashMap中的每一个bucket里只有一个Entry，不发生冲突时,Hashmap是一个数组，根据索引可以迅速找到Entry,但是，当发生冲突时，单个的bucket里存储的是一个Entry链，系统必须按顺序遍历每个Entry,直到找到为止。为了减少数据的遍历，冲突的元素都是直接插入到第一个Entry后面的，所以，最早放入bucket中的Entry，位于Entry链中的最末端。这从put(K key，V value)中也可以看出，在同一个bucket存储Entry链的情况下，新放入的Entry总是位于bucket中。
四、HashMap元素的输出
对于Map接口来说，其本身是不能直接使用迭代（Iteraor）进行输出的，因为Map接口的中的每个位置存放的是一对值(key---->value)，而Iterator中每次只能找到一个值，如果要通过迭代的方法进行输出，主要分为以下几步：
1、将Map接口的实例通过Set<Entry<K,V>> entrySet();方法变为Set接口对象；
2、通过Set接口实例为Iterator实例化
3、通过Iterator迭代输出，输出的每个内容都是Map.Entry的对象
4、通过Map.Entry进行key---value的分离
具体代码实现如下：
Java代码
/实例化HashMap对象
HashMap<String,String> hashMap=new HashMap<String,String>();
//1、将Map接口变为Set接口
Set<Map.Entry<String,String>> set=hashMap.entrySet();
//2、实例化Iterator接口
Iterator it=set.iterator();
while(it.hasNext()){
//3、得到存储在HashMap中的Entry对象
Map.Entry<String,String> me=(Entry<String, String>) it.next();
//4、通过Entry得到key和value
System.out.println("Key="+me.getKey()+"Value="+me.getValue());
}
上面的Map的输出过程，entrySet()主要是返回此映射所包含的映射关系的 Set 视图，在HashMap中，还有一个keySet()方法用于返回此映射中所包含的键的
Set 视图,步骤都是一样的。根据key可以通过get(key)方法找到对应的value。如果存储的key值不是系统类，而是自定义的类，则需要注意以下两点：
1）必须存储自定义类的实例化对象，如果使用匿名对象，就找不到对应值。
例如，key值是一个Student的类型
Java代码
HashMap<Student,String> map=new HashMap<Student,String>();
map.put(new Student("1608100201","Jony"), "CSU");
System.out.println(map.get(stu));
这段代码是无法找到对应的value值的，会输出null;正确的代码应该是下面的写法，才能找到value值，因为在设置和取得的过程中，都使用的是Student的实例化对象，地址没有变化。
Java代码
//实例化一个学生对象
Student stu=new Student("1608100201","Jony");
HashMap<Student,String> map=new HashMap<Student,String>();
map.put(stu, "CSU");
System.out.println(map.get(stu));
2）覆写equals()和hashCode()方法。我们在使用时，要想明确的知道其中一个key的引用地址，就得依靠这两个方法。
Java代码
public class Student {
//学生的学好属性
public static String ID;
//学生的姓名属性
private String name;
/*
* 重载构造方法
*/
public Student(String ID,String name){
this.ID=ID;
this.name=name;
}
/**
* 覆写equals()方法
*/
public boolean equals(Object obj) {
//判断地址是否相等
if(this==obj){
return true;
}
//传递进来用于比较的对象不是本类的对象
if (!(obj instanceof Student))
return false;
//向下转型
Student stu = (Student)obj;
//比较属性内容是否相等
if (this.ID.equals(stu.ID)&&this.name.equals(stu.name)) {
return true;
}
return false;
}
/**
* 覆写hashCode()方法
*/
public int hashCode() {
return this.ID.hashCode();
}
｝
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我们如果要保存一组对象，用我们之前学过的知识，会使用对象数组，但鉴于数组的局限性，数组长度一经定义就不能改变，所以我们使用链表、队列等数据结构操作，但是很麻烦。类集框架就是一个动态的数组，但不受数组长度的限制。
HashMap允许key值为空，（在方法containsValue(Object value)：如果指定值key==null，并且在键值对中有value为null时，也返回true）但是Hashtable不允许，否则会报“NullPointer Expection”异常。
一、HashMap键值对的实现
HashMap是Map接口的实现子类，用于存放一对值，即类中的每一个元素都是以Key---->Value的形式存储。我们知道，在Java集合框架中，无论是将一个对象存放在数组中，还是队列中，其实并不是把这个对象存入其中，而是将对象的引用存入数组或者队列中。在HashMap中，数据的存储同样如此，我们通过调用put(K key,V value)方法存储键值对，方法如下：
Java代码
/**
* 存储关联的键值对
* @param key：键
* @param value：值
* @return
*/
public V put(K key, V value) {
//当键值为null时，调用putForNullKey(value)的方法存储，
//在该方法中调用recordAccess(HashMap<K,V> m)的方法处理
if (key == null)
return putForNullKey(value);
//根据key的KeyCode，计算hashCode
int hash = hash(key.hashCode());
//调用indexFor方法，返回hash在对应table中的索引(Entry[] table)
int i = indexFor(hash, table.length);
//当i索引处的Entry不为null时，遍历下一个元素
for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
Object k;
//如果遍历到的hash值等于根据Key值计算出的hash值并且
//key值与需要放入的key值相等时，存放与key对应的value值
if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
//覆盖oldValue的值
V oldValue = e.value;
e.value = value;
e.recordAccess(this);
return oldValue;
}
}
modCount++;
//当i索引处的Entry为null时，将指定的key、value、hash条目放入到指定的桶i中
//如果现有HashMap的大小大于容量*负载因子时，resize(2 * table.length);
addEntry(hash, key, value, i);
return null;
}
在上面的put(K key,V value)方法中可知，当要存储Key---->Value对时，实际上是存储在一个Entry的对象e中，程序通过key计算出Entry对象的存储位置。换句话说，Key---->Value的对应关系是通过key----Entry----value这个过程实现的，所以就有我们表面上知道的key存在哪里，value就存在哪里。在Map接口中，有一个Entry接口，该接口用于处理key和value的set()和get()方法，所以在Map中存储数据，实际上是将Key---->value的数据存储在Map.Entry接口的实例中，再在Map集合中插入Map.Entry的实例化对象，如图示：
二、HashMap的存储机制
HashMap的内部存储结构其实是数组和链表的结合。当实例化一个HashMap时，系统会创建一个长度为Capacity的Entry数组，这个长度在哈希表中被称为容量(Capacity)，在这个数组中可以存放元素的位置我们称之为“桶”(bucket)，每个bucket都有自己的索引，系统可以根据索引快速的查找bucket中的元素。
每个bucket中存储一个元素，即一个Entry对象，但每一个Entry对象可以带一个引用变量，用于指向下一个元素，因此，在一个桶中，就有可能生成一个Entry链。
HashMap有四种方法：
HashMap()：初始容量16，默认加载因子0.75
HashMap(int initialCapacity)：自定义初始容量
HashMap(int initialCapacity,float loadFactor)：自定义初始容量和加载因子
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m)
这四个构造方法其实都受两个参数的影响：容量和加载因子。容量是哈希表中桶的数量，初始容量为16。加载因子是对哈希表的容量在自动增加resize()之前所达到尺度的描述。当哈希表中的条目数超过threshold(=Capacity*loadFactor) 的值时，要对哈希表进行rehash操作。
默认加载因子 (.75) 在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销，但同时也增加了查询成本（在大多数 HashMap 类的操作中，包括 get 和 put 操作，都反映了这一点）。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子，以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子，则不会发生 rehash 操作。
三、HashMap的冲突处理问题
由于哈希函数是一个压缩映象，因此在一班情况下，很容易产生“冲突”现象，即key1 ≠ key2,而f(key1)=f(key2)。而且，由于关键字的集合比较大，这种冲突是不可避免的，所以必须采取合理的解决方案，找出尽量少产生冲突的哈希函数和处理冲突的方法。对于哈希函数的构造，通常有直接定址法、数字分析法、平方取中法、折叠法、除留余数法、随机数法等。而这里重点讲述处理冲突的两种方法。
1、 开放地址法
开放地址法是对那些发生冲突的记录，用hi=(h(key)+di)mod n方法再次确定Hash地址。
n：为哈希表长;
di：为增量序列，其取法有以下三种：
1）线性探测再散列 di= c * i
2）二次探测再散列 di = 12, -12, 22, -22, …,
3) 随机探测再散列 di是一组伪随机数列 或者 di=i×H2(key) (又称双散列函数探测)
例如表长为11的哈希表中已填有关键字为17，60，29的记录，H(key)=key MOD 11,现有第4个记录，其关键字为38
H(38)=38 MOD 11=5 冲突
H1=(5+1) MOD 11=6 冲突
H2=(5+2) MOD 11=7 冲突
H3=(5+3) MOD 11=8 不冲突
对于其他增量序列的方法也是如此计算。
2、链地址法
将所有哈希地址相同的记录都链接在同一链表中图形类似于图2。也就是说，当HashMap中的每一个bucket里只有一个Entry，不发生冲突时,Hashmap是一个数组，根据索引可以迅速找到Entry,但是，当发生冲突时，单个的bucket里存储的是一个Entry链，系统必须按顺序遍历每个Entry,直到找到为止。为了减少数据的遍历，冲突的元素都是直接插入到第一个Entry后面的，所以，最早放入bucket中的Entry，位于Entry链中的最末端。这从put(K key，V value)中也可以看出，在同一个bucket存储Entry链的情况下，新放入的Entry总是位于bucket中。
四、HashMap元素的输出
对于Map接口来说，其本身是不能直接使用迭代（Iteraor）进行输出的，因为Map接口的中的每个位置存放的是一对值(key---->value)，而Iterator中每次只能找到一个值，如果要通过迭代的方法进行输出，主要分为以下几步：
1、将Map接口的实例通过Set<Entry<K,V>> entrySet();方法变为Set接口对象；
2、通过Set接口实例为Iterator实例化
3、通过Iterator迭代输出，输出的每个内容都是Map.Entry的对象
4、通过Map.Entry进行key---value的分离
具体代码实现如下：
Java代码
/实例化HashMap对象
HashMap<String,String> hashMap=new HashMap<String,String>();
//1、将Map接口变为Set接口
Set<Map.Entry<String,String>> set=hashMap.entrySet();
//2、实例化Iterator接口
Iterator it=set.iterator();
while(it.hasNext()){
//3、得到存储在HashMap中的Entry对象
Map.Entry<String,String> me=(Entry<String, String>) it.next();
//4、通过Entry得到key和value
System.out.println("Key="+me.getKey()+"Value="+me.getValue());
}
上面的Map的输出过程，entrySet()主要是返回此映射所包含的映射关系的 Set 视图，在HashMap中，还有一个keySet()方法用于返回此映射中所包含的键的
Set 视图,步骤都是一样的。根据key可以通过get(key)方法找到对应的value。如果存储的key值不是系统类，而是自定义的类，则需要注意以下两点：
1）必须存储自定义类的实例化对象，如果使用匿名对象，就找不到对应值。
例如，key值是一个Student的类型
Java代码
HashMap<Student,String> map=new HashMap<Student,String>();
map.put(new Student("1608100201","Jony"), "CSU");
System.out.println(map.get(stu));
这段代码是无法找到对应的value值的，会输出null;正确的代码应该是下面的写法，才能找到value值，因为在设置和取得的过程中，都使用的是Student的实例化对象，地址没有变化。
Java代码
//实例化一个学生对象
Student stu=new Student("1608100201","Jony");
HashMap<Student,String> map=new HashMap<Student,String>();
map.put(stu, "CSU");
System.out.println(map.get(stu));
2）覆写equals()和hashCode()方法。我们在使用时，要想明确的知道其中一个key的引用地址，就得依靠这两个方法。
Java代码
public class Student {
//学生的学好属性
public static String ID;
//学生的姓名属性
private String name;
/*
* 重载构造方法
*/
public Student(String ID,String name){
this.ID=ID;
this.name=name;
}
/**
* 覆写equals()方法
*/
public boolean equals(Object obj) {
//判断地址是否相等
if(this==obj){
return true;
}
//传递进来用于比较的对象不是本类的对象
if (!(obj instanceof Student))
return false;
//向下转型
Student stu = (Student)obj;
//比较属性内容是否相等
if (this.ID.equals(stu.ID)&&this.name.equals(stu.name)) {
return true;
}
return false;
}
/**
* 覆写hashCode()方法
*/
public int hashCode() {
return this.ID.hashCode();
}
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