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hashmap实现原理浅析

商者
 商者
发布于 2016/03/30 11:42
字数 3053
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看了下JAVA里面有HashMap、Hashtable、HashSet三种hash集合的实现源码,这里总结下,理解错误的地方还望指正

HashMap和Hashtable的区别

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap的简化实现MyHashMap

 

HashMap和Hashtable的区别

  1. 两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全,而HashMap则非线程安全
    Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步,因此相对而言HashMap性能会高一些,我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap,在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合(Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类,这个类实现了Map接口,在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例,简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步,类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理
  2. HashMap可以使用null作为key,而Hashtable则不允许null作为key
    虽说HashMap支持null值作为key,不过建议还是尽量避免这样使用,因为一旦不小心使用了,若因此引发一些问题,排查起来很是费事
    HashMap以null作为key时,总是存储在table数组的第一个节点上
  3. HashMap是对Map接口的实现,HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类
  4. HashMap的初始容量为16,Hashtable初始容量为11,两者的填充因子默认都是0.75
    HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2,Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1
  5. 两者计算hash的方法不同
    Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模
    int hash = key.hashCode(); int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

    HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash,以获得更好的散列值,然后对table数组长度取摸

    复制代码
    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);
        } static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1);
        }
    复制代码

     

  6. HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

除开HashMap和Hashtable外,还有一个hash集合HashSet,有所区别的是HashSet不是key value结构,仅仅是存储不重复的元素,相当于简化版的HashMap,只是包含HashMap中的key而已

通过查看源码也证实了这一点,HashSet内部就是使用HashMap实现,只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已,因此HashSet也是非线程安全的,至于HashSet和Hashtable的区别,HashSet就是个简化的HashMap的,所以你懂的
下面是HashSet几个主要方法的实现

复制代码
private transient HashMap<E,Object> map;
  private static final Object PRESENT = new Object(); public HashSet() {
    map = new HashMap<E,Object>();
    } public boolean contains(Object o) { return map.containsKey(o);
    } public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null;
    } public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT)==null;
    } public boolean remove(Object o) { return map.remove(o)==PRESENT;
    } public void clear() {
    map.clear();
    }
复制代码

 

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的,这点上完全一致

添加、删除、获取元素时都是先计算hash,根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标,然后进行相应操作,下面以HashMap为例说明下它的简单实现

复制代码
/** * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; /** * HashMap的最大容量,可以认为是int的最大值 */ static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; /** * 默认的加载因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * HashMap用来存储数据的数组 */ transient Entry[] table;
复制代码
  • HashMap的创建
    HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组,默认加载因子为0.75,同时设置临界值为16*0.75
    复制代码
    /** * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
         * (16) and the default load factor (0.75). */ public HashMap() { this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
            threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
            table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
            init();
        }
    复制代码

     

  • put方法
    HashMap会对null值key进行特殊处理,总是放到table[0]位置
    put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后将key放到table[index]位置,当table[index]已存在其它元素时,会在table[index]位置形成一个链表,将新添加的元素放在table[index],原来的元素通过Entry的next进行链接,这样以链表形式解决hash冲突问题,当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时,则进行扩容,是table数组长度变为table.length*2
  • 复制代码
    public V put(K key, V value) { if (key == null) return putForNullKey(value); //处理null值 int hash = hash(key.hashCode());//计算hash int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置 //遍历table[i]位置的链表,查找相同的key,若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue 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;
                }
            } //若没有在table[i]位置找到相同的key,则添加key到table[i]位置,新的元素总是在table[i]位置的第一个元素,原来的元素后移 modCount++;
            addEntry(hash, key, value, i); return null;
        } void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { //添加key到table[bucketIndex]位置,新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素,原来的元素后移 Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
            table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); //判断元素个数是否达到了临界值,若已达到临界值则扩容,table长度翻倍 if (size++ >= threshold)
                resize(2 * table.length);
        }
    复制代码

     

  • get方法
    同样当key为null时会进行特殊处理,在table[0]的链表上查找key为null的元素
    get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值,然后遍历table[index]上的链表,直到找到key,然后返回
    复制代码
    public V get(Object key) { if (key == null) return getForNullKey();//处理null值 int hash = hash(key.hashCode());//计算hash //在table[index]遍历查找key,若找到则返回value,找不到返回null 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;
        }
    复制代码

     

  • remove方法
    remove方法和put get类似,计算hash,计算index,然后遍历查找,将找到的元素从table[index]链表移除
    复制代码
    public V remove(Object key) {
            Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key); return (e == null ? null : e.value);
        } 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;
        }
    复制代码

     

  • resize方法
    resize方法在hashmap中并没有公开,这个方法实现了非常重要的hashmap扩容,具体过程为:先创建一个容量为table.length*2的新table,修改临界值,然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面
    这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index,而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置
    复制代码
    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);
        } 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; //重新对每个元素计算index int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                        e.next = newTable[i];
                        newTable[i] = e;
                        e = next;
                    } while (e != null);
                }
            }
        }
    复制代码

     

  • clear()方法
    clear方法非常简单,就是遍历table然后把每个位置置为null,同时修改元素个数为0
    需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素,并不会重置capactiy
    复制代码
    public void clear() {
            modCount++;
            Entry[] tab = table; for (int i = 0; i < tab.length; i++)
                tab[i] = null;
            size = 0;
        }
    复制代码

     

  • containsKey和containsValue
    containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值,遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值
    复制代码
    public boolean containsKey(Object key) { return getEntry(key) != null;
        } final Entry<K,V> getEntry(Object key) { int hash = (key == null) ? 0 : 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 != null && key.equals(k)))) return e;
            } return null;
        }
    复制代码

    containsValue方法就比较粗暴了,就是直接遍历所有元素直到找到value,由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别,你别指望它会像containsKey那么高效

    复制代码
    public boolean containsValue(Object value) { if (value == null) return containsNullValue();
    
        Entry[] tab = table; for (int i = 0; i < tab.length ; i++) for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next) if (value.equals(e.value)) return true; return false;
        }
    复制代码

     

  • hash和indexFor
    indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length,用于计算index也就是在table数组中的下标
    hash方法是对hashcode进行二次散列,以获得更好的散列值
    为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换
    int hash = hash(key.hashCode());//计算hash int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置 //上面这两行可以这样简化 int i = key.key.hashCode()%table.length;

     

  • 复制代码
    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);
        } static int indexFor(int h, int length) { return h & (length-1);
        }
    复制代码

     

HashMap的简化实现MyHashMap

为了加深理解,我个人实现了一个简化版本的HashMap,注意哦,仅仅是简化版的功能并不完善,仅供参考

复制代码
package cn.lzrabbit.structure; /** * Created by rabbit on 14-5-4. */ public class MyHashMap { //默认初始化大小 16 private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; //默认负载因子 0.75 private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //临界值 private int threshold; //元素个数 private int size; //扩容次数 private int resize; private HashEntry[] table; public MyHashMap() {
        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        size = 0;
    } private int index(Object key) { //根据key的hashcode和table长度取模计算key在table中的位置 return key.hashCode() % table.length;
    } public void put(Object key, Object value) { //key为null时需要特殊处理,为简化实现忽略null值 if (key == null) return; int index = index(key); //遍历index位置的entry,若找到重复key则更新对应entry的值,然后返回 HashEntry entry = table[index]; while (entry != null) { if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                entry.setValue(value); return;
            }
            entry = entry.getNext();
        } //若index位置没有entry或者未找到重复的key,则将新key添加到table的index位置  add(index, key, value);
    } private void add(int index, Object key, Object value) { //将新的entry放到table的index位置第一个,若原来有值则以链表形式存放 HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);
        table[index] = entry; //判断size是否达到临界值,若已达到则进行扩容,将table的capacicy翻倍 if (size++ >= threshold) {
            resize(table.length * 2);
        }
    } private void resize(int capacity) { if (capacity <= table.length) return;

        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity]; //遍历原table,将每个entry都重新计算hash放入newTable中 for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            HashEntry old = table[i]; while (old != null) {
                HashEntry next = old.getNext(); int index = index(old.getKey());
                old.setNext(newTable[index]);
                newTable[index] = old;
                old = next;
            }
        } //用newTable替table table = newTable; //修改临界值 threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        resize++;
    } public Object get(Object key) { //这里简化处理,忽略null值 if (key == null) return null;
        HashEntry entry = getEntry(key); return entry == null ? null : entry.getValue();
    } public HashEntry getEntry(Object key) {
        HashEntry entry = table[index(key)]; while (entry != null) { if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) { return entry;
            }
            entry = entry.getNext();
        } return null;
    } public void remove(Object key) { if (key == null) return; int index = index(key);
        HashEntry pre = null;
        HashEntry entry = table[index]; while (entry != null) { if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) { if (pre == null) table[index] = entry.getNext(); else pre.setNext(entry.getNext()); //如果成功找到并删除,修改size size--; return;
            }
            pre = entry;
            entry = entry.getNext();
        }
    } public boolean containsKey(Object key) { if (key == null) return false; return getEntry(key) != null;
    } public int size() { return this.size;
    } public void clear() { for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            table[i] = null;
        } this.size = 0;
    }


    @Override public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize)); for (HashEntry entry : table) { while (entry != null) {
                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");
                entry = entry.getNext();
            }
        } return sb.toString();
    }
} class HashEntry { private final Object key; private Object value; private HashEntry next; public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) { this.key = key; this.value = value; this.next = next;
    } public Object getKey() { return key;
    } public Object getValue() { return value;
    } public void setValue(Object value) { this.value = value;
    } public HashEntry getNext() { return next;
    } public void setNext(HashEntry next) { this.next = next;
    }
}
复制代码

本文转载自:http://www.cnblogs.com/lzrabbit/p/3721067.html

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