HashMap之Hash碰撞冲突解决方案及未来改进

说明：参考网上的两篇文章做了简单的总结，以备后查（http://blogread.cn/it/article/7191?f=wb  ，http://it.deepinmind.com/%E6%80%A7%E8%83%BD/2014/04/24/hashmap-performance-in-java-8.html）　

1.HashMap位置决定与存储

　　　通过前面的源码分析可知，HashMap 采用一种所谓的“Hash 算法”来决定每个元素的存储位置。当程序执行put(String,Obect)方法 时，系统将调用String的 hashCode() 方法得到其 hashCode 值——每个 Java 对象都有 hashCode() 方法，都可通过该方法获得它的 hashCode 值。得到这个对象的 hashCode 值之后，系统会根据该 hashCode 值来决定该元素的存储位置。源码如下:[java] view plain copy   public V put(K key, V value) {  
       if (key == null)  
           return putForNullKey(value);  
       int hash = hash(key.hashCode());  
       int i = indexFor(hash, table.length);  
       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;  
           }  
       }  
  
       modCount++;  
       addEntry(hash, key, value, i);  
       return null;  
   }     
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);  
   }  
  
   /** 
    * Returns index for hash code h. 
    */  
   static int indexFor(int h, int length) {  
       return h & (length-1);  
   }  
  
static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {  
       final K key;  
       V value;  
       Entry<K,V> next;  
       final int hash;  
  
       /** 
        * Creates new entry. 
        */  
       Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {  
           value = v;  
           next = n;  
           key = k;  
           hash = h;  
       }  
  
       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 Map.Entry))  
               return false;  
           Map.Entry e = (Map.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();  
       }  
  
       /** 
        * This method is invoked whenever the value in an entry is 
        * overwritten by an invocation of put(k,v) for a key k that‘s already 
        * in the HashMap. 
        */  
       void recordAccess(HashMap<K,V> m) {  
       }  
  
       /** 
        * This method is invoked whenever the entry is 
        * removed from the table. 
        */  
       void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {  
       }  
   }  
　　  我们知道Entry含有的属性是Value，Key，还有一只指向下一个指针Next。当系统决定存储 HashMap 中的 key-value 对时，完全没有考虑 Entry 中的 value，仅仅只是根据 key 来计算并决定每个 Entry 的存储位置。这也说明了前面的结论：我们完全可以把 Map 集合中的 value 当成 key 的附属，当系统决定了 key 的存储位置之后，value 随之保存在那里即可   

2.Hash碰撞产生及解决

   Hashmap里面的bucket出现了单链表的形式，散列表要解决的一个问题就是散列值的冲突问题，通常是两种方法：链表法和开放地址法。链表法就是将相同hash值的对象组织成一个链表放在hash值对应的槽位；开放地址法是通过一个探测算法，当某个槽位已经被占据的情况下继续查找下一个可以使用的槽位。java.util.HashMap采用的链表法的方式，链表是单向链表。形成单链表的核心代码如下：[java] view plain copyvoid addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {  
ry<K,V> e = table[bucketIndex];  
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);  
    if (size++ >= threshold)  
        resize(2 * table.length);  
}  
　　   上面方法的代码很简单，但其中包含了一个设计：系统总是将新添加的 Entry 对象放入 table 数组的 bucketIndex 索引处——如果 bucketIndex 索引处已经有了一个 Entry 对象，那新添加的 Entry 对象指向原有的 Entry 对象(产生一个 Entry 链)，如果 bucketIndex 索引处没有 Entry 对象，也就是上面程序代码的 e 变量是 null，也就是新放入的 Entry 对象指向 null，也就是没有产生 Entry 链。 HashMap里面没有出现hash冲突时，没有形成单链表时，hashmap查找元素很快,get()方法能够直接定位到元素，但是出现单链表后，单个bucket 里存储的不是一个 Entry，而是一个 Entry 链，系统只能必须按顺序遍历每个 Entry，直到找到想搜索的 Entry 为止——如果恰好要搜索的 Entry 位于该 Entry 链的最末端(该 Entry 是最早放入该 bucket 中)，那系统必须循环到最后才能找到该元素。   通过上面可知如果多个hashCode()的值落到同一个桶内的时候，这些值是存储到一个链表中的。最坏的情况下，所有的key都映射到同一个桶中，这样hashmap就退化成了一个链表——查找时间从O(1)到O(n)。也就是说我们是通过链表的方式来解决这个Hash碰撞问题的。

3.Hash碰撞性能分析

　　　　Java 7：随着HashMap的大小的增长，get()方法的开销也越来越大。由于所有的记录都在同一个桶里的超长链表内，平均查询一条记录就需要遍历一半的列表。不过Java 8的表现要好许多！它是一个log的曲线，因此它的性能要好上好几个数量级。尽管有严重的哈希碰撞，已是最坏的情况了，但这个同样的基准测试在JDK8中的时间复杂度是O(logn)。单独来看JDK 8的曲线的话会更清楚，这是一个对数线性分布：

4.Java8碰撞优化提升

　　　为什么会有这么大的性能提升，尽管这里用的是大O符号（大O描述的是渐近上界）？其实这个优化在JEP-180中已经提到了。如果某个桶中的记录过大的话（当前是TREEIFY_THRESHOLD = 8），HashMap会动态的使用一个专门的treemap实现来替换掉它。这样做的结果会更好，是O(logn)，而不是糟糕的O(n)。它是如何工作的？前面产生冲突的那些KEY对应的记录只是简单的追加到一个链表后面，这些记录只能通过遍历来进行查找。但是超过这个阈值后HashMap开始将列表升级成一个二叉树，使用哈希值作为树的分支变量，如果两个哈希值不等，但指向同一个桶的话，较大的那个会插入到右子树里。如果哈希值相等，HashMap希望key值最好是实现了Comparable接口的，这样它可以按照顺序来进行插入。这对HashMap的key来说并不是必须的，不过如果实现了当然最好。如果没有实现这个接口，在出现严重的哈希碰撞的时候，你就并别指望能获得性能提升了。这个性能提升有什么用处？比方说恶意的程序，如果它知道我们用的是哈希算法，它可能会发送大量的请求，导致产生严重的哈希碰撞。然后不停的访问这些key就能显著的影响服务器的性能，这样就形成了一次拒绝服务攻击（DoS）。JDK 8中从O(n)到O(logn)的飞跃，可以有效地防止类似的攻击，同时也让HashMap性能的可预测性稍微增强了一些。