计算机程序的思维逻辑 (40) - 剖析HashMap

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前面两节介绍了ArrayList和LinkedList，它们的一个共同特点是，查找元素的效率都比较低，都需要逐个进行比较，本节介绍HashMap，它的查找效率则要高的多，HashMap是什么？怎么用？是如何实现的？本节详细介绍。

字面上看，HashMap由两个单词组成，Hash和Map，这里Map不是地图的意思，而是表示映射关系，是一个接口，实现Map接口有多种方式，HashMap实现的方式利用了Hash。

下面，我们先来看Map接口，接着看如何使用HashMap，然后看实现原理，最后我们总结分析HashMap的特点。

Map接口

基本概念

Map有键和值的概念，一个键映射到一个值，Map按照键存储和访问值，键不能重复，即一个键只会存储一份，给同一个键重复设值会覆盖原来的值。使用Map可以方便地处理需要根据键访问对象的场景，比如：

• 一个词典应用，键可以为单词，值可以为单词信息类，包括含义、发音、例句等。
• 统计和记录一本书中所有单词出现的次数，可以以单词为键，出现次数为值。
• 管理配置文件中的配置项，配置项是典型的键值对。
• 根据身份证号查询人员信息，身份证号为键，人员信息为值。

数组、ArrayList、LinkedList可以视为一种特殊的Map，键为索引，值为对象。

接口定义

Map接口的定义为：

public interface Map<K,V> {
    V put(K key, V value);
    V get(Object key);
    V remove(Object key);
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean containsKey(Object key);
    boolean containsValue(Object value);
    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
    void clear();
    Set<K> keySet();
    Collection<V> values();
    Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();
    interface Entry<K,V> {
        K getKey();
        V getValue();
        V setValue(V value);
        boolean equals(Object o);
        int hashCode();
    }
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

Map接口有两个类型参数，K和V，分别表示键(Key)和值(Value)的类型，我们解释一下其中的方法。

保存键值对

V put(K key, V value);

按键key保存值value，如果Map中原来已经存在key，则覆盖对应的值，返回值为原来的值，如果原来不存在key，返回null。key相同的依据是，要么都为null，要么equals方法返回true。

根据键获取值

V get(Object key);

如果没找到，返回null。

根据键删除键值对

V remove(Object key);

返回key原来对应的值，如果Map中不存在key，返回null。

查看Map的大小

int size();
boolean isEmpty();

查看是否包含某个键

boolean containsKey(Object key);

查看是否包含某个值

boolean containsValue(Object value);

批量保存

void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);

保存参数m中的所有键值对到当前Map。

清空Map中所有键值对

void clear();

获取Map中键的集合

Set<K> keySet();

Set是一个接口，表示的是数学中的集合概念，即没有重复的元素集合，它的定义为：

public interface Set<E> extends Collection<E> {
}

它扩展了Collection，但没有定义任何新的方法，不过，它要求所有实现者都必须确保Set的语义约束，即不能有重复元素。关于Set，下节我们再详细介绍。

Map中的键是没有重复的，所以ketSet()返回了一个Set。

获取Map中所有值的集合

Collection<V> values();

获取Map中的所有键值对

Set<Map.Entry<K, V>> entrySet();

Map.Entry<K,V>是一个嵌套接口，定义在Map接口内部，表示一条键值对，主要方法有：

K getey();
V getValue();

keySet()/values()/entrySet()有一个共同的特点，它们返回的都是视图，不是拷贝的值，基于返回值的修改会直接修改Map自身，比如说：

map.keySet().clear();

会删除所有键值对。

HashMap

使用例子

HashMap实现了Map接口，我们通过一个简单的例子，来看如何使用。

在随机一节，我们介绍过如何产生随机数，现在，我们写一个程序，来看随机产生的数是否均匀，比如，随机产生1000个0到3的数，统计每个数的次数。代码可以这么写：

Random rnd = new Random();
Map<Integer, Integer> countMap = new HashMap<>();
 
for(int i=0; i<1000; i++){
    int num = rnd.nextInt(4);
    Integer count = countMap.get(num);
    if(count==null){
        countMap.put(num, 1);
    }else{
        countMap.put(num, count+1);
    }
}
 
for(Map.Entry<Integer, Integer> kv : countMap.entrySet()){
    System.out.println(kv.getKey()+","+kv.getValue());
}

一次运行的输出为：

0,269
1,236
2,261
3,234

代码比较简单，就不解释了。

构造方法

除了默认构造方法，HashMap还有如下构造方法：

public HashMap(int initialCapacity)
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor)
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

最后一个以一个已有的Map构造，拷贝其中的所有键值对到当前Map，这容易理解。前两个涉及两个两个参数initialCapacity和loadFactor，它们是什么意思呢？我们需要看下HashMap的实现原理。

实现原理

内部组成

HashMap内部有如下几个主要的实例变量：

transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
transient int size;
int threshold;
final float loadFactor;

size表示实际键值对的个数。

table是一个Entry类型的数组，其中的每个元素指向一个单向链表，链表中的每个节点表示一个键值对，Entry是一个内部类，它的实例变量和构造方法代码如下：

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final K key;
    V value;
    Entry<K,V> next;
    int hash;
 
    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }
} 

其中key和value分别表示键和值，next指向下一个Entry节点，hash是key的哈希值，待会我们会介绍其计算方法，直接存储hash值是为了在比较的时候加快计算，待会我们看代码。

table的初始值为EMPTY_TABLE，是一个空表，具体定义为：

static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};

当添加键值对后，table就不是空表了，它会随着键值对的添加进行扩展，扩展的策略类似于ArrayList，添加第一个元素时，默认分配的大小为16，不过，并不是size大于16时再进行扩展，下次什么时候扩展与threshold有关。

threshold表示阈值，当键值对个数size大于等于threshold时考虑进行扩展。threshold是怎么算出来的呢？一般而言，threshold等于table.length乘以loadFactor，比如，如果table.length为16，loadFactor为0.75，则threshold为12。

loadFactor是负载因子，表示整体上table被占用的程度，是一个浮点数，默认为0.75，可以通过构造方法进行修改。

下面，我们通过一些主要方法的代码来看下，HashMap是如何利用这些内部数据实现Map接口的。先看默认构造方法。需要说明的是，为清晰和简单起见，我们可能会忽略一些非主要代码。

默认构造方法

代码为：

public HashMap() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

DEFAULT_INITIAL_CAPACITY为16，DEFAULT_LOAD_FACTOR为0.75，默认构造方法调用的构造方法主要代码为：

public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    this.loadFactor = loadFactor;
    threshold = initialCapacity;
}

主要就是设置loadFactor和threshold的初始值。

保存键值对

下面，我们来看HashMap是如何把一个键值对保存起来的，代码为：

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    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;
}  

如果是第一次保存，首先会调用inflateTable()方法给table分配实际的空间，inflateTable的主要代码为：

private void inflateTable(int toSize) {
    // Find a power of 2 >= toSize
    int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
 
    threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    table = new Entry[capacity];
}

默认情况下，capacity的值为16，threshold会变为12，table会分配一个长度为16的Entry数组。

接下来，检查key是否为null，如果是，调用putForNullKey单独处理，我们暂时忽略这种情况。

在key不为null的情况下，下一步调用hash方法计算key的哈希值，hash方法的代码为：

final int hash(Object k) {
    int h = 0
    h ^= k.hashCode();
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

基于key自身的hashCode方法的返回值，又进行了一些位运算，目的是为了随机和均匀性。

有了hash值之后，调用indexFor方法，计算应该将这个键值对放到table的哪个位置，代码为：

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

HashMap中，length为2的幂次方，h&(length-1)等同于求模运算：h%length。

找到了保存位置i，table[i]指向一个单向链表，接下来，就是在这个链表中逐个查找是否已经有这个键了，遍历代码为：

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 

而比较的时候，是先比较hash值，hash相同的时候，再使用equals方法进行比较，代码为：

if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))

为什么要先比较hash呢？因为hash是整数，比较的性能一般要比equals比较高很多，hash不同，就没有必要调用equals方法了，这样整体上可以提高比较性能。

如果能找到，直接修改Entry中的value即可。

modCount++的含义与ArrayList和LinkedList中介绍一样，记录修改次数，方便在迭代中检测结构性变化。

如果没找到，则调用addEntry方法在给定的位置添加一条，代码为：

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }
 
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

如果空间是够的，不需要resize，则调用createEntry添加，createEntry的代码为：

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

代码比较直接，新建一个Entry对象，并插入单向链表的头部，并增加size。

如果空间不够，即size已经要超过阈值threshold了，并且对应的table位置已经插入过对象了，具体检查代码为：

if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex]))

则调用resize方法对table进行扩展，扩展策略是乘2，resize的主要代码为：

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

分配一个容量为原来两倍的Entry数组，调用transfer方法将原来的键值对移植过来，然后更新内部的table变量，以及threshold的值。transfer方法的代码为：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

参数rehash一般为false。这段代码遍历原来的每个键值对，计算新位置，并保存到新位置，具体代码比较直接，就不解释了。

以上，就是保存键值对的主要代码，简单总结一下，基本步骤为：

1. 计算键的哈希值
2. 根据哈希值得到保存位置（取模）
3. 插到对应位置的链表头部或更新已有值
4. 根据需要扩展table大小

以上描述可能比较抽象，我们通过一个例子，用图示的方式，再来看下，代码是：

Map<String,Integer> countMap = new HashMap<>();
countMap.put("hello", 1);
countMap.put("world", 3);
 
countMap.put("position", 4);

在通过new HashMap()创建一个对象后，内存中的图示结构大概是：

接下来执行

countMap.put("hello", 1);

"hello"的hash值为96207088，模16的结果为0，所以插入table[0]指向的链表头部，内存结构会变为：

"world"的hash值为111207038，模16结果为15，所以保存完"world"后，内存结构会变为：

"position"的hash值为771782464，模16结果也为0，table[0]已经有节点了，新节点会插到链表头部，内存结构会变为：

理解了键值对在内存是如何存放的，就比较容易理解其他方法了，我们来看get方法。

根据键获取值

代码为：

public V get(Object key) {
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    Entry<K,V> entry = getEntry(key);
 
    return null == entry ? null : entry.getValue();
}

HashMap支持key为null，key为null的时候，放在table[0]，调用getForNullKey()获取值，如果key不为null，则调用getEntry()获取键值对节点entry，然后调用节点的getValue()方法获取值。getEntry方法的代码是：

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
 
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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;
}

逻辑也比较简单：

1. 计算键的hash值，代码为：

int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);

2. 根据hash找到table中的对应链表，代码为：

table[indexFor(hash, table.length)];

3. 在链表中遍历查找，遍历代码：

for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
       e != null;
       e = e.next)

4. 逐个比较，先通过hash快速比较，hash相同再通过equals比较，代码为：

if (e.hash == hash &&
    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))

查看是否包含某个键

containsKey的逻辑与get是类似的，节点不为null就表示存在，具体代码为：

public boolean containsKey(Object key) {
    return getEntry(key) != null;
}

查看是否包含某个值

HashMap可以方便高效的按照键进行操作，但如果要根据值进行操作，则需要遍历，containsValue方法的代码为：

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;
}

如果要查找的值为null，则调用containsNullValue单独处理，我们看不为null的情况，遍历的逻辑也很简单，就是从table的第一个链表开始，从上到下，从左到右逐个节点进行访问，通过equals方法比较值，直到找到为止。

根据键删除键值对

代码为：

public V remove(Object key) {
    Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
    return (e == null ? null : e.value);
}

removeEntryForKey的代码为：

final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
    if (size == 0) {
        return null;
    }
    int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
    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;
}

基本逻辑为：

1. 计算hash，根据hash找到对应的table索引，代码为：

int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);

2. 遍历table[i]，查找待删节点，使用变量prev指向前一个节点，next指向下一个节点，e指向当前节点，遍历结构代码为：

Entry<K,V> prev = table[i];
Entry<K,V> e = prev;
while (e != null) {
    Entry<K,V> next = e.next;
    if(找到了){
       //删除
       return;
    }
    prev = e;
    e = next;
}

3. 判断是否找到，依然是先比较hash，hash相同时再用equals方法比较

4. 删除的逻辑就是让长度减小，然后让待删节点的前后节点连起来，如果待删节点是第一个节点，则让table[i]直接指向后一个节点，代码为：

size--;
if (prev == e)
    table[i] = next;
else
    prev.next = next;

e.recordRemoval(this);在HashMap中代码为空，主要是为了HashMap的子类扩展使用。

实现原理小结

以上就是HashMap的基本实现原理，内部有一个数组table，每个元素table[i]指向一个单向链表，根据键存取值，用键算出hash，取模得到数组中的索引位置buketIndex，然后操作table[buketIndex]指向的单向链表。

存取的时候依据键的hash值，只在对应的链表中操作，不会访问别的链表，在对应链表操作时也是先比较hash值，相同的话才用equals方法比较，这就要求，相同的对象其hashCode()返回值必须相同，如果键是自定义的类，就特别需要注意这一点。这也是hashCode和equals方法的一个关键约束，这个约束我们在介绍包装类的时候也提到过。

HashMap特点分析

HashMap实现了Map接口，内部使用数组链表和哈希的方式进行实现，这决定了它有如下特点：

• 根据键保存和获取值的效率都很高，为O(1)，每个单向链表往往只有一个或少数几个节点，根据hash值就可以直接快速定位。
• HashMap中的键值对没有顺序，因为hash值是随机的。

如果经常需要根据键存取值，而且不要求顺序，那HashMap就是理想的选择。

小结

本节介绍了HashMap的用法和实现原理，它实现了Map接口，可以方便的按照键存取值，它的实现利用了哈希，可以根据键自身直接定位，存取效率很高。

根据哈希值存取对象、比较对象是计算机程序中一种重要的思维方式，它使得存取对象主要依赖于自身哈希值，而不是与其他对象进行比较，存取效率也就与集合大小无关，高达O(1)，即使进行比较，也利用哈希值提高比较性能。

不过HashMap没有顺序，如果要保持添加的顺序，可以使用HashMap的一个子类LinkedHashMap，后续我们再介绍。Map还有一个重要的实现类TreeMap，它可以排序，我们也留待后续章节介绍。

本节提到了Set接口，下节，让我们探讨它的一种重要实现类HashSet。

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