深入淺析HashMap的工作原理

這篇文章給大家介紹深入淺析HashMap的工作原理，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

實際上，HashSet 和 HashMap 之間有很多相似之處，對于 HashSet 而言，系統采用 Hash 算法決定集合元素的存儲位置，這樣可以保證能快速存、取集合元素；對于 HashMap 而言，系統 key-value 當成一個整體進行處理，系統總是根據 Hash 算法來計算 key-value 的存儲位置，這樣可以保證能快速存、取 Map 的 key-value 對。

在介紹集合存儲之前需要指出一點：雖然集合號稱存儲的是Java 對象，但實際上并不會真正將 Java 對象放入 Set 集合中，只是在 Set 集合中保留這些對象的引用而言。也就是說：Java 集合實際上是多個引用變量所組成的集合，這些引用變量指向實際的 Java 對象。就像引用類型的數組一樣，當我們把 Java 對象放入數組之時，并不是真正的把 Java 對象放入數組中，只是把對象的引用放入數組中，每個數組元素都是一個引用變量。

HashMap存儲的實現（put()方法）

當程序試圖將多個key-value放入HashMap中是，以如下代碼片段為例：

 HashMap<String , Double> map = new HashMap<String , Double>(); 
 map.put("語文" , 80.0); 
 map.put("數學" , 89.0); 
 map.put("英語" , 78.2); 

HashMap采用了一種所謂的“Hash算法”來決定每個元素的存儲位置。

當程序執行map.put("語文",80.0)時，系統將調用"語文"（即Key）的hashCode()方法得到其hashCode值---每個java對象都有hashCode()方法，都可以通過該方法獲得它的hashCode值。得到這個對象的hashCode值之后，系統根據hashCode值來決定 該元素的存儲位置。

我們可以看HashMap類的put(K key,V value)方法的源代碼：

public V put(K key, V value) 
 { 
  // 如果 key 為 null，調用 putForNullKey 方法進行處理 
  if (key == null) 
   return putForNullKey(value); 
  // 根據 key 的 keyCode 計算 Hash 值 
  int hash = hash(key.hashCode()); 
  // 搜索指定 hash 值在對應 table 中的索引 
  int i = indexFor(hash, table.length); 
  // 如果 i 索引處的 Entry 不為 null，通過循環不斷遍歷 e 元素的下一個元素 
  for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 
  { 
   Object k; 
   // 找到指定 key 與需要放入的 key 相等（hash 值相同 
   // 通過 equals 比較放回 true） 
   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 索引處的 Entry 為 null，表明此處還沒有 Entry 
  modCount++; 
  // 將 key、value 添加到 i 索引處 
  addEntry(hash, key, value, i); 
  return null; 
 } 

上面程序中用到了一個重要的內部接口：Map.Entry，每個 Map.Entry 其實就是一個 key-value 對。從上面程序中可以看出：當系統決定存儲 HashMap 中的 key-value 對時，完全沒有考慮 Entry 中的 value，僅僅只是根據 key 來計算并決定每個 Entry 的存儲位置。這也說明了前面的結論：我們完全可以把 Map 集合中的 value 當成 key 的附屬，當系統決定了 key 的存儲位置之后，value 隨之保存在那里即可。

上面方法提供了一個根據 hashCode() 返回值來計算 Hash 碼的方法：hash()，這個方法是一個純粹的數學計算，其方法如下：

static int hash(int h) 
{ 
 h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12); 
 return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4); 
}

對于任意給定的對象，只要它的 hashCode() 返回值相同，那么程序調用 hash(int h) 方法所計算得到的 Hash 碼值總是相同的。接下來程序會調用 indexFor(int h, int length) 方法來計算該對象應該保存在 table 數組的哪個索引處。   

indexFor(int h, int length) 方法的代碼如下：

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

這個方法非常巧妙，它總是通過 h &(table.length -1) 來得到該對象的保存位置——而 HashMap 底層數組的長度總是 2 的 n 次方，這一點可參看后面關于 HashMap 構造器的介紹。

當 length 總是 2 的倍數時，h & (length-1)將是一個非常巧妙的設計：假設 h=5,length=16, 那么 h & length - 1 將得到 5；如果 h=6,length=16, 那么 h & length - 1 將得到 6 ……如果 h=15,length=16, 那么 h & length - 1 將得到 15；但是當 h=16 時 , length=16 時，那么 h & length - 1 將得到 0 了；當 h=17 時 , length=16 時，那么 h & length - 1 將得到 1 了……這樣保證計算得到的索引值總是位于 table 數組的索引之內。

根據上面 put 方法的源代碼可以看出，當程序試圖將一個 key-value 對放入 HashMap 中時，程序首先根據該 key 的 hashCode() 返回值決定該 Entry 的存儲位置：如果兩個 Entry 的 key 的 hashCode() 返回值相同，那它們的存儲位置相同。如果這兩個 Entry 的 key 通過 equals 比較返回 true，新添加 Entry 的 value 將覆蓋集合中原有 Entry 的 value，但 key 不會覆蓋。如果這兩個 Entry 的 key 通過 equals 比較返回 false，新添加的 Entry 將與集合中原有 Entry 形成 Entry 鏈，而且新添加的 Entry 位于 Entry 鏈的頭部——具體說明繼續看 addEntry() 方法的說明。

當向 HashMap 中添加 key-value 對，由其 key 的 hashCode() 返回值決定該 key-value 對（就是 Entry 對象）的存儲位置。當兩個 Entry 對象的 key 的 hashCode() 返回值相同時，將由 key 通過 eqauls() 比較值決定是采用覆蓋行為（返回 true），還是產生 Entry 鏈（返回 false）。

上面程序中還調用了 addEntry(hash, key, value, i); 代碼，其中 addEntry 是 HashMap 提供的一個包訪問權限的方法，該方法僅用于添加一個 key-value 對。下面是該方法的代碼：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) 
{ 
 // 獲取指定 bucketIndex 索引處的 Entry 
 Entry<K,V> e = table[bucketIndex]; // ①
 // 將新創建的 Entry 放入 bucketIndex 索引處，并讓新的 Entry 指向原來的 Entry 
 table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e); 
 // 如果 Map 中的 key-value 對的數量超過了極限
 if (size++ >= threshold) 
  // 把 table 對象的長度擴充到 2 倍。
  resize(2 * table.length); // ②
}

上面方法的代碼很簡單，但其中包含了一個非常優雅的設計：系統總是將新添加的 Entry 對象放入 table 數組的 bucketIndex 索引處——如果 bucketIndex 索引處已經有了一個 Entry 對象，那新添加的 Entry 對象指向原有的 Entry 對象（產生一個 Entry 鏈），如果 bucketIndex 索引處沒有 Entry 對象，也就是上面程序①號代碼的 e 變量是 null，也就是新放入的 Entry 對象指向 null，也就是沒有產生 Entry 鏈。

什么是Map.Entry？

 Map是java中的接口，Map.Entry是Map的一個內部接口。 

          Map提供了一些常用方法，如keySet()、entrySet()等方法，keySet()方法返回值是Map中key值的集合；entrySet()的返回值也是返回一個Set集合，此集合的類型為Map.Entry。 

          Map.Entry是Map聲明的一個內部接口，此接口為泛型，定義為Entry<K,V>。它表示Map中的一個實體（一個key-value對）。接口中有getKey(),getValue方法。             

         由以上可以得出，遍歷Map的常用方法： 

 1. Map map = new HashMap(); 
   Irerator iterator = map.entrySet().iterator(); 
   while(iterator.hasNext()) { 
     Map.Entry entry = iterator.next(); 
     Object key = entry.getKey(); 
     // 
   } 
  2.Map map = new HashMap(); 
   Set keySet= map.keySet(); 
   Irerator iterator = keySet.iterator; 
   while(iterator.hasNext()) { 
     Object key = iterator.next(); 
     Object value = map.get(key); 
     // 
   }  

        另外，還有一種遍歷方法是，單純的遍歷value值，Map有一個values方法，返回的是value的Collection集合。通過遍歷collection也可以遍歷value,如  

 Map map = new HashMap(); 
  Collection c = map.values(); 
  Iterator iterator = c.iterator(); 
  while(iterator.hasNext()) { 
    Object value = iterator.next(); 
 }

Map.Entry是Map內部定義的一個接口，專門用來保存key→value的內容。Map.Entry的定義如下：

1. public static interface Map.Entry<K,V>

Map.Entry是使用static關鍵字聲明的內部接口，此接口可以由外部通過"外部類.內部類"的形式直接調用。
Map.Entry接口的常用方法

從之前的內容可以知道，在Map的操作中，所有的內容都是通過key→value的形式保存數據的，那么對于集合來講，實際上是將key→value的數據保存在了Map.Entry的實例之后，再在Map集合中插入的是一個Map.Entry的實例化對象，如下圖所示。 

提示：Map.Entry在集合輸出時會使用到。

在一般的Map操作中（例如，增加或取出數據等操作）不用去管Map.Entry接口，但是在將Map中的數據全部輸出時就必須使用Map.Entry接口

• HashMap 的存儲示意

• HashMap 的讀取實現（）

當 HashMap 的每個 bucket 里存儲的 Entry 只是單個 Entry ——也就是沒有通過指針產生 Entry 鏈時，此時的 HashMap 具有最好的性能：當程序通過 key 取出對應 value 時，系統只要先計算出該 key 的 hashCode() 返回值，在根據該 hashCode 返回值找出該 key 在 table 數組中的索引，然后取出該索引處的 Entry，最后返回該 key 對應的 value 即可。看 HashMap 類的 get(K key) 方法代碼：

 public V get(Object key) 
 { 
 // 如果 key 是 null，調用 getForNullKey 取出對應的 value 
 if (key == null) 
 return getForNullKey(); 
 // 根據該 key 的 hashCode 值計算它的 hash 碼
 int hash = hash(key.hashCode()); 
 // 直接取出 table 數組中指定索引處的值，
 for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; 
 e != null; 
 // 搜索該 Entry 鏈的下一個 Entr 
 e = e.next) // ①
 { 
 Object k; 
 // 如果該 Entry 的 key 與被搜索 key 相同
 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key 
 || key.equals(k))) 
 return e.value; 
 } 
 return null; 
 }

從上面代碼中可以看出，如果 HashMap 的每個 bucket 里只有一個 Entry 時，HashMap 可以根據索引、快速地取出該 bucket 里的 Entry；在發生“Hash 沖突”的情況下，單個 bucket 里存儲的不是一個 Entry，而是一個 Entry 鏈，系統只能必須按順序遍歷每個 Entry，直到找到想搜索的 Entry 為止——如果恰好要搜索的 Entry 位于該 Entry 鏈的最末端（該 Entry 是最早放入該 bucket 中），那系統必須循環到最后才能找到該元素。
歸納起來簡單地說，HashMap 在底層將 key-value 當成一個整體進行處理，這個整體就是一個 Entry 對象。HashMap 底層采用

一個 Entry[] 數組來保存所有的 key-value 對，當需要存儲一個 Entry 對象時，會根據 Hash 算法來決定其存儲位置；當需要取出一個 Entry 時，也會根據 Hash 算法找到其存儲位置，直接取出該 Entry。由此可見：HashMap 之所以能快速存、取它所包含的 Entry，完全類似于現實生活中母親從小教我們的：不同的東西要放在不同的位置，需要時才能快速找到它。
當創建 HashMap 時，有一個默認的負載因子（load factor），其默認值為 0.75，這是時間和空間成本上一種折衷：增大負載因子可以減少 Hash 表（就是那個 Entry 數組）所占用的內存空間，但會增加查詢數據的時間開銷，而查詢是最頻繁的的操作（HashMap 的 get() 與 put() 方法都要用到查詢）；減小負載因子會提高數據查詢的性能，但會增加 Hash 表所占用的內存空間。

掌握了上面知識之后，我們可以在創建 HashMap 時根據實際需要適當地調整 load factor 的值；如果程序比較關心空間開銷、內存比較緊張，可以適當地增加負載因子；如果程序比較關心時間開銷，內存比較寬裕則可以適當的減少負載因子。通常情況下，程序員無需改變負載因子的值。

如果開始就知道 HashMap 會保存多個 key-value 對，可以在創建時就使用較大的初始化容量，如果 HashMap 中 Entry 的數量一直不會超過極限容量（capacity * load factor），HashMap 就無需調用 resize() 方法重新分配 table 數組，從而保證較好的性能。當然，開始就將初始容量設置太高可能會浪費空間（系統需要創建一個長度為 capacity 的 Entry 數組），因此創建 HashMap 時初始化容量設置也需要小心對待。

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