Java容器：HashMap和HashSet解析

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一、HashMap

HashMap，基于散列(哈希表)存储“Key-Value”对象引用的数据结构。

存入的键必须具备两个关键函数：

（1）equals():  推断两个Key是否同样，用来保证存入的Key的唯一性。

（2）hashCode(): 依据k-v对象的Key来计算其引用在散列表中存放的位置；

HashMap底层结构是一个数组：

transientEntry<K,V>[] table

而当中Entry<K,V>定义例如以下：

static classEntry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {

final K key;

V value;

Entry<K,V> next;

int hash;

}

包括了key，value以及hash值。更重要的是另一个指向下一个节点的next指针。

结合以下将要介绍的put方法可知HashMap底层是一个哈希表。以链接法解决冲突。

在网上找到一张画的比較好的图片：

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1、public V put(K key, V value)

直接看代码：

public V put(K key,V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {
            inflateTable(threshold);
        }

        //key为null时的插入
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);

        //依据key计算hash值
        int hash = hash(key);

        //返回哈希表索引位置
        int i = indexFor(hash, table.length);

        //在哈希表中该索引处的链表中查找同样key的Entry<K,V>
        //注意table[i]是指向Entry<K,V>链表头结点的指针
        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))) {
                   //通过equals方法推断找到同样key的节点，用新value覆盖旧value并返回旧value
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;

        //创建一个新的Entry<K,V>实体。头插法插入到位置i处
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

当中针对key为null的处理例如以下：

private V putForNullKey(V value) {
//在hash表的第0个位置開始找是否已经有了key为null的节点
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e!= null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;

        //在hash表的第0个位置用头插法插入key为null的这个节点
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

当中通过key计算hash值方法例如以下：

final inthash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceofString) {
            returnsun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        //调用Key的hashCode()方法计算hash值
        h ^= k.hashCode();

        // This function ensures that hashCodesthat differ only by
        // constant multiples at each bitposition have a bounded
        // number of collisions (approximately8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h>>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h>>> 4);
    }

由此能够得出下面结论：

（1）当插入一个<Key, Value>，发现此Key已经存在时，将用新的value覆盖旧的value。

（2）当插入的<Key, Value>key为null时，将插入到hash表的位置0处，而且仅仅会有一个key为null的节点；

（3）当插入一个<Key, Value>时通过Key的hashCode()方法计算在hash表中的索引。通过Key的equals()方法推断两个Entry<K,V>的Key是否同样，同样会覆盖。所以说插入的<Key, Value>中的Key必须实现这两个方法。

2、public V get(Object key)

依据Key返回Value方法就相对简单：

public V get(Objectkey) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);

        return null == entry ? null :entry.getValue();
    }

当中getEntry(key)方法为主要实现：

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

        //依据Key计算hash值
        int hash = (key == null) ? 0 :hash(key);

        //indexFor(hash,table.length)依据hash值返回其在hash表中索引位置
        //在该索引位置指向的链表中查找Key同样的节点并返回其Value
        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;
    }

3、散列表容量

HashMap有默认的装载因子loadFactor=0.75，默认的entry数组的长度为16。装载因子的意义在于使得entry数组有冗余，默认即同意25%的冗余，当HashMap的数据的个数超过12（16*0.75）时即会对entry数组进行第一次扩容，后面的再次扩容依次类推。

HashMap每次扩容一倍，resize时会将已存在的值从新进行数组下标的计算，这个是比較浪费时间的。在平时使用中，假设能预计出大概的HashMap的容量。能够合理的设置装载因子loadFactor和entry数组初始长度即能够避免resize操作，提高put的效率。

以下看看resize操作时怎样进行的：

void resize(intnewCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }

        //依据新的容量又一次创建hash表
        Entry[] newTable = newEntry[newCapacity];

        //逐个将节点拷贝至新hash表，较为耗时
        transfer(newTable,initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        threshold = (int)Math.min(newCapacity *loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

4、相似结构

（1）Hashtable：

HashMap的早期版本号，底层和HashMap相似，也是hash表存储，链接法解决冲突，通过synchronizedkeyword保证线程安全，以下看看其put方法，和HashMap的put方法非常像：

public synchronizedV put(K key, V value) {
        //不同意Key为null的情况
        if (value == null) {
            throw new NullPointerException();
        }

        Entry tab[] = table;

        //利用key的hashCode()方法计算hash值
        int hash = hash(key);

        //除留余数法计算索引
        int index = (hash & 0x7FFFFFFF) %tab.length;

        //通过equals()方法找到key同样的节点覆盖
        for (Entry<K,V> e = tab[index] ;e != null ; e = e.next) {
            if ((e.hash == hash) &&e.key.equals(key)) {
                V old = e.value;
                e.value = value;
                return old;
            }
        }

        modCount++;
        if (count >= threshold) {
            // Rehash the table if thethreshold is exceeded
            rehash();

            tab = table;
            hash = hash(key);
            index = (hash & 0x7FFFFFFF) %tab.length;
        }

        //插入新节点
        Entry<K,V> e = tab[index];
        tab[index] = new Entry<>(hash,key, value, e);
        count++;
        return null;
    }

（2）ConcurrentHashMap

HashMap的线程安全版本号，底层和HashMap差点儿相似。也是採用hash表存储。链接法解决冲突，通过Key的hashCode()方法计算hash表索引。通过key的equals()方法推断两个Key是否同样。

不同点在于。ConcurrentHashMap针对hash表提出了一个“分段”的概念。每次插入一个<Key。Value>的时候，都先逐个分段请求获取锁。获取成功之后再运行在该hash表分段的插入操作。

总结：三者底层实现都是一样，可是不同之处在于是否线程安全，以及实现线程安全的方式。

HashMap不支持线程安全，是一个简单高效的版本号。Hashtable通过synchronizedkeyword简单粗暴地实现了一个线程安全的HashMap。而新的ConcurrentHashMap通过一种叫做分段的灵活的方式实现了线程安全的HashMap。

所以不管出于什么原因，旧的Hashtable不建议再使用。若没有并发訪问需求，推荐HashMap，否则推荐线程安全的ConcurrentHashMap。

二、HashSet

HashSet是为独立元素的存放而设计的哈希存储。长处是高速存取。

HashSet的设计较为“偷懒”。其直接在HashMap上封装而成：

public classHashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable,java.io.Serializable
{
    static final long serialVersionUID =-5024744406713321676L;

    private transient HashMap<E,Object>map;

    // Dummy value to associate with an Objectin the backing Map
    private static final Object PRESENT = newObject();

能够看究竟层就是一个HashMap。Key存放放入集合的元素。而相应的Value则是一个随意对象PRESENT 。

以下是其Put方法：

public boolean add(Ee) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

以下是返回迭代器的方法：

publicIterator<E> iterator() {
        return map.keySet().iterator();
    }