面试专辑——从源码分析HashMap

# HashMap ----- ### HashMap和Hashtable的区别: 1. Hashtable的大部分方法做了同步,HashMap没有,因此,HashMap不是线程安全的。 2. Hashtable不允许key或者value使用null值,而HashMap可以。 3. 在内部算法上,它们对key的hash算法和hash值到内存索引的映射算法不同。 ### HashMap的实现原理 简单说,HashMap就是将key做hash算法,然后将hash所对应的数据映射到内存地址,直接取得key所对应的数据。在HashMap中。底层数据结构使用的是数组,所谓的内存地址即数组的下标索引。HashMap的高性能需要保证以下几点: * hash算法必须高效 * hash值到内存地址(数组索引)的算法是快速的 * 根据内存地址(数组索引)可以直接取得对应的值 如何保证hash算法高效,hash算法有关的代码如下: ``` int hash = hash(key.hashCode()); public native int hashCode(); static int hash(int h){ h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); } ``` 第一行代码是HashMap用于计算key的hash值,它前后调用了Object类的hashCode()方法和HashMap的内部函数hash()。Object类的hashCode()方法默认是native的实现,可以认为不存在性能问题。而hash()函数的实现全部基于位运算,因此,也是高效的。 当取得key的hash值后,需要通过hash值得到内存地址: ``` int i = indexFor(hash, table.length); static int indexFor(int h, int length){ return h & (length - 1); } ``` indexFor()函数通过将hash值和数组长度按位与直接得到数组索引。 最后由indexFor()函数返回的数组索引直接通过数组下标便可取得对应的值,直接的内存访问速度也是相当的快,因此,可认为HashMap是高性能的。 ### Hash冲突 如图3.11所示,需要存放到HashMap中的两个元素1和2,通过hash计算后,发现对应在内存中的同一个地址,如何处理? 其实HashMap的底层实现使用的是数组,但是数组内的元素并不是简单的值。而是一个Entry类的对象。因此,对HashMap结构贴切描述如图3.12所示。 ![](https://blogsfiles.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/attachment/20190209/08404a08ad024f07a66f66bb77122daa.jpeg) 可以看到,HashMap的内部维护着一个Entry数组,每一个Entry表项包括key、value、next和hash几项。next部分指向另外一个Entry。进一步阅读HashMap的put()方法源码,可以看到当put()操作有冲突时,新的Entry依然会被安放在对应的索引下标内,并替换原有的值。同时为了保证旧值不丢失,会将新的Entry的next指向旧值。这便实现了在一个数组索引空间内存放多个值项。因此,如图3.12所示,HashMap实际上是一个链表的数组。 ``` 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 e = table[i]; e != null; e = e.next){ Object k; //如果当前的key已经存在于HashMap中 if(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; //取得旧值 e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; //返回旧值 } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); //添加当前的表项到i位置 return null; } ``` addEntry()方法的实现如下: ``` void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex){ Entry e = table[bucketIndex]; //将新增元素放到i的位置,并让它的next指向旧的元素 table[bucketIndex] = new Entry(hash, key, value, e); if(size++ >= threshold){ resize(2 * table.length); } } ``` 基于HashMap的这种实现机制,只要hashCode和hash()方法实现的足够好,能够尽可能的减少冲突的产生,那么对HashMap的操作几乎等价于对数组的随机访问操作,具有很好的性能。但是,如果hashCode()或者hash()方法实现较差,在大量冲突产生的情况下,HashMap事实上就退化为几个链表,对HashMap的操作等价于遍历链表,此时性能很差。 ###容量参数 除hashCode()的实现外,影响HashMap性能的还有它的容量参数。和ArrayList和Vector一样,这种基于数组的结构,不可避免的需要在数组空间不足时,进行扩展。而数组的重组相对而言较为耗时,因此对其作一定了解有助于优化HashMap的性能。 HashMap提供了两个可以指定初始化大小的构造函数: ``` public HashMap(int initialCapacity) public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) ``` 其中initialCapacity指定了HashMap的初始容量,loadFactor指定了其负载因子。初始容量即数组的大小,HashMap会使用大于等于initialCapacity并且是2的指数次幂的最小的整数作为内置数组的大小。负载因子又叫填充比,它是介于0和1之间的浮点数,它决定了HashMap在扩容之前,其内部数组的填充度。默认情况下,HashMap初始大小为16,负载因子为0.75。 **负载因子 = 元素个数/内部数组总大小** 在实际使用中,负载因子也可以设置为大于1的数,但如果这样做,HashMap将必然产生大量冲突,因为这无疑是在尝试往只有10个口袋的包里放15件物品,必然有几只口袋要大于一个物件。因此,通常不会这么使用。 在HashMap内部,还维护了一个threshold变量,它始终被定义为当前数组总容量和负载因子的乘积,它表示HashMap的阈值。当HashMap的实际容量超过阈值时,HashMap便会进行扩容。因此,HashMap的实际容量超过阈值时,HashMap便会进行扩容。因此,HashMap的实际填充率不会超过负载因子。 HashMap扩容的代码如下: ``` void resize(int newCapacity){ Entry[] oldTable = table; int oldCapacity= oldTable.length; if(oldCapacity == MAXMUM_CAPACITY){ threhold = Integer.MAX_VALUE; return; } //建立新的数组 Entry[] newTable = new Entry[newCapacity]; //将原有数组转到新的数组中 transfer(newTable); table = newTable; //重新设置阈值,为新的容量和负载因子的乘积 threshold = (int)(newCapacity * loadFactory); } ``` 其中,数组迁移逻辑主要在transfer()函数中实现,该函数实现和注释如下: ``` void transfer(Entry[] newTable){ Entry[] src = table; int newCapacity = newTable.length; //遍历数组内所有表项 for(int j = 0; j < src.length; j++){ Entry e = src[j]; //当该表项索引有值存在时,则进行迁移 if(e != null){ src[j] = null; do{ //进行数据迁移 Entry next = e.next; //计算该表现在新数组内的索引,并放置到新的数组中 //建立新的链表关系 int i = indexFor(e,hash, newCapacity); e.next = newTable[i]; newTable[i] = e; e = next; }while(e != null) } } } ``` 很明显,HashMap的扩容操作会遍历整个HashMap,应该尽量避免该操作发生,设置合理的初始大小和负载因子,可以有效的减少HashMap扩容的次数。

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