Hashmap是一种非常常用的、应用广泛的数据类型

1、hashmap的数据结构 
要知道hashmap是什么,首先要搞清楚它的数据结构,在java编程语言中,最基本的结构就是两种,一个是数组,另外一个是模拟指针(引用),所有的数据结构都可以用这两个基本结构来构造的,hashmap也不例外。Hashmap实际上是一个数组和链表的结合体(在数据结构中,一般称之为“链表散列“),请看下图(横排表示数组,纵排表示数组元素【实际上是一个链表】)。 


从图中我们可以看到一个hashmap就是一个数组结构,当新建一个hashmap的时候,就会初始化一个数组。我们来看看java代码:

  1. /**
  2. * The table, resized as necessary. Length MUST Always be a power of two.
  3. *  FIXME 这里需要注意这句话,至于原因后面会讲到
  4. */
  5. transient Entry[] table;
  1. static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
  2. final K key;
  3. V value;
  4. final int hash;
  5. Entry<K,V> next;
  6. ..........
  7. }

上面的Entry就是数组中的元素,它持有一个指向下一个元素的引用,这就构成了链表。 
  当我们往hashmap中put元素的时候,先根据key的hash值得到这个元素在数组中的位置(即下标),然后就可以把这个元素放到对应的位置中了。如果这个元素所在的位子上已经存放有其他元素了,那么在同一个位子上的元素将以链表的形式存放,新加入的放在链头,最先加入的放在链尾。从hashmap中get元素时,首先计算key的hashcode,找到数组中对应位置的某一元素,然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。从这里我们可以想象得到,如果每个位置上的链表只有一个元素,那么hashmap的get效率将是最高的,但是理想总是美好的,现实总是有困难需要我们去克服,哈哈~ 

2、hash算法 
    我们可以看到在hashmap中要找到某个元素,需要根据key的hash值来求得对应数组中的位置。如何计算这个位置就是hash算法。前面说过hashmap的数据结构是数组和链表的结合,所以我们当然希望这个hashmap里面的元素位置尽量的分布均匀些,尽量使得每个位置上的元素数量只有一个,那么当我们用hash算法求得这个位置的时候,马上就可以知道对应位置的元素就是我们要的,而不用再去遍历链表。 

所以我们首先想到的就是把hashcode对数组长度取模运算,这样一来,元素的分布相对来说是比较均匀的。但是,“模”运算的消耗还是比较大的,能不能找一种更快速,消耗更小的方式那?java中时这样做的,

  1. static int indexFor(int h, int length) {
  2. return h & (length-1);
  3. }

首先算得key得hashcode值,然后跟数组的长度-1做一次“与”运算(&)。看上去很简单,其实比较有玄机。比如数组的长度是2的4次方,那么hashcode就会和2的4次方-1做“与”运算。很多人都有这个疑问,为什么hashmap的数组初始化大小都是2的次方大小时,hashmap的效率最高,我以2的4次方举例,来解释一下为什么数组大小为2的幂时hashmap访问的性能最高。 

    看下图,左边两组是数组长度为16(2的4次方),右边两组是数组长度为15。两组的hashcode均为8和9,但是很明显,当它们和1110“与”的时候,产生了相同的结果,也就是说它们会定位到数组中的同一个位置上去,这就产生了碰撞,8和9会被放到同一个链表上,那么查询的时候就需要遍历这个链表,得到8或者9,这样就降低了查询的效率。同时,我们也可以发现,当数组长度为15的时候,hashcode的值会与14(1110)进行“与”,那么最后一位永远是0,而0001,0011,0101,1001,1011,0111,1101这几个位置永远都不能存放元素了,空间浪费相当大,更糟的是这种情况中,数组可以使用的位置比数组长度小了很多,这意味着进一步增加了碰撞的几率,减慢了查询的效率! 

所以说,当数组长度为2的n次幂的时候,不同的key算得得index相同的几率较小,那么数据在数组上分布就比较均匀,也就是说碰撞的几率小,相对的,查询的时候就不用遍历某个位置上的链表,这样查询效率也就较高了。 
    说到这里,我们再回头看一下hashmap中默认的数组大小是多少,查看源代码可以得知是16,为什么是16,而不是15,也不是20呢,看到上面annegu的解释之后我们就清楚了吧,显然是因为16是2的整数次幂的原因,在小数据量的情况下16比15和20更能减少key之间的碰撞,而加快查询的效率。 

    所以,在存储大容量数据的时候,最好预先指定hashmap的size为2的整数次幂次方。就算不指定的话,也会以大于且最接近指定值大小的2次幂来初始化的,代码如下(HashMap的构造方法中):

且最接近指定值大小的2次幂来初始化的,代码如下(HashMap的构造方法中):

  1. // Find a power of 2 >= initialCapacity
  2. int capacity = 1;
  3. while (capacity < initialCapacity)
  4. capacity <<= 1;

3、hashmap的resize 
       当hashmap中的元素越来越多的时候,碰撞的几率也就越来越高(因为数组的长度是固定的),所以为了提高查询的效率,就要对hashmap的数组进行扩容,数组扩容这个操作也会出现在ArrayList中,所以这是一个通用的操作,很多人对它的性能表示过怀疑,不过想想我们的“均摊”原理,就释然了,而在hashmap数组扩容之后,最消耗性能的点就出现了:原数组中的数据必须重新计算其在新数组中的位置,并放进去,这就是resize。 

         那么hashmap什么时候进行扩容呢?当hashmap中的元素个数超过数组大小*loadFactor时,就会进行数组扩容,loadFactor的默认值为0.75,也就是说,默认情况下,数组大小为16,那么当hashmap中元素个数超过16*0.75=12的时候,就把数组的大小扩展为2*16=32,即扩大一倍,然后重新计算每个元素在数组中的位置,而这是一个非常消耗性能的操作,所以如果我们已经预知hashmap中元素的个数,那么预设元素的个数能够有效的提高hashmap的性能。比如说,我们有1000个元素new HashMap(1000), 但是理论上来讲new HashMap(1024)更合适,不过上面annegu已经说过,即使是1000,hashmap也自动会将其设置为1024。 但是new HashMap(1024)还不是更合适的,因为0.75*1000 < 1000, 也就是说为了让0.75 * size >1000, 我们必须这样new HashMap(2048)才最合适,既考虑了&的问题,也避免了resize的问题。 

4、key的hashcode与equals方法改写 
在第一部分hashmap的数据结构中,annegu就写了get方法的过程:首先计算key的hashcode,找到数组中对应位置的某一元素,然后通过key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素。所以,hashcode与equals方法对于找到对应元素是两个关键方法。 

Hashmap的key可以是任何类型的对象,例如User这种对象,为了保证两个具有相同属性的user的hashcode相同,我们就需要改写hashcode方法,比方把hashcode值的计算与User对象的id关联起来,那么只要user对象拥有相同id,那么他们的hashcode也能保持一致了,这样就可以找到在hashmap数组中的位置了。如果这个位置上有多个元素,还需要用key的equals方法在对应位置的链表中找到需要的元素,所以只改写了hashcode方法是不够的,equals方法也是需要改写滴~当然啦,按正常思维逻辑,equals方法一般都会根据实际的业务内容来定义,例如根据user对象的id来判断两个user是否相等。 
在改写equals方法的时候,需要满足以下三点: 
(1) 自反性:就是说a.equals(a)必须为true。 
(2) 对称性:就是说a.equals(b)=true的话,b.equals(a)也必须为true。 
(3) 传递性:就是说a.equals(b)=true,并且b.equals(c)=true的话,a.equals(c)也必须为true。 
通过改写key对象的equals和hashcode方法,我们可以将任意的业务对象作为map的key(前提是你确实有这样的需要)。 

总结: 
    本文主要描述了HashMap的结构,和hashmap中hash函数的实现,以及该实现的特性,同时描述了hashmap中resize带来性能消耗的根本原因,以及将普通的域模型对象作为key的基本要求。尤其是hash函数的实现,可以说是整个HashMap的精髓所在,只有真正理解了这个hash函数,才可以说对HashMap有了一定的理解。

集合之深入理解HashMap的更多相关文章

  1. 深入理解JAVA集合系列一:HashMap源码解读

    初认HashMap 基于哈希表(即散列表)的Map接口的实现,此实现提供所有可选的映射操作,并允许使用null值和null键. HashMap继承于AbstractMap,实现了Map.Cloneab ...

  2. Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

    概要 这一章,我们对HashMap进行学习.我们先对HashMap有个整体认识,然后再学习它的源码,最后再通过实例来学会使用HashMap.内容包括:第1部分 HashMap介绍第2部分 HashMa ...

  3. java集合框架之java HashMap代码解析

     java集合框架之java HashMap代码解析 文章Java集合框架综述后,具体集合类的代码,首先以既熟悉又陌生的HashMap开始. 源自http://www.codeceo.com/arti ...

  4. 深入Java集合学习系列:HashMap的实现原理--转

    原文出自:http://www.cnblogs.com/xwdreamer/archive/2012/06/03/2532832.html 1. HashMap概述: HashMap是基于哈希表的Ma ...

  5. 转:深入Java集合学习系列:HashMap的实现原理

    1. HashMap概述: HashMap是基于哈希表的Map接口的非同步实现(Hashtable跟HashMap很像,唯一的区别是Hashtalbe中的方法是线程安全的,也就是同步的).此实现提供所 ...

  6. Map接口下的集合和泛型理解

    一.Map接口 1. Map接口就是最顶层了,上面没有继承了.Map是一个容器接口,它与前面学的List.Set容器不同的是前面学的这些容器,一次只能传入一个元素,但是Map容器一次可以传入一对元素( ...

  7. 【转】Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

    概要 这一章,我们对HashMap进行学习.我们先对HashMap有个整体认识,然后再学习它的源码,最后再通过实例来学会使用HashMap.内容包括:第1部分 HashMap介绍第2部分 HashMa ...

  8. Java基础知识强化之集合框架笔记64:Map集合之ArrayList嵌套HashMap

    1. ArrayList集合嵌套HashMap集合并遍历.  需求:         假设ArrayList集合的元素是HashMap.有3个.         每一个HashMap集合的键和值都是字 ...

  9. 深入理解HashMap+ConcurrentHashMap的扩容策略

    前言 理解HashMap和ConcurrentHashMap的重点在于: (1)理解HashMap的数据结构的设计和实现思路 (2)在(1)的基础上,理解ConcurrentHashMap的并发安全的 ...

随机推荐

  1. CMake 条件判断

    CMake简介 CMake 是做什么的? CMake是一套类似于automake的跨平台辅助项目编译的工具. 我觉得语法更加简单易用. CMake的工作流程 CMake处理顶级目录的CMakeList ...

  2. maven依赖大全

    1.oracle mysql驱动 <!-- mysql驱动支持 --> <dependency> <groupId>mysql</groupId> &l ...

  3. xampp配置多端口访问

    1.修改D:\xampp\apache\conf\extra中的httpd-vhosts.conf文件,在最底部添加 <VirtualHost *:8080> ##需要监听的端口号 Ser ...

  4. Mac HomeBrew 常用命令

    mac 系统常用的软件安装工具就是 homebrew, 其最常用的命令如下: 安装(需要 Ruby):ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.github.com ...

  5. C#设置和获取系统环境变量

    C#设置和获取环境变量 1.前言 本来想拿学校机房的Android编辑器直接粘到自己电脑上用,发现它的eclipse是 32位的,而我的JDK是64位的,于是想到干脆装两个JDK,用C#做一个能够更改 ...

  6. Algorithm --> n位数去掉k位后找最小数

    去掉K位求取最小数 一个n位的数,去掉其中的k位,怎样使留下来的(n-k)位数按原来的前后顺序组成的数最小 例如 8314925去掉4个数,留下125最小,注意有前后顺序要求,要是没有顺序当然是123 ...

  7. Shiro权限框架(二)

    一.什么是Shiro Apache Shiro是一个强大易用的Java安全框架,提供了认证.授权.加密和会话管理等功能: 认证 - 用户身份识别,常被称为用户"登录": 授权 - ...

  8. Vue探索历程(一)

    使用vue.js原文介绍:Vue.js是一个构建数据驱动的web界面库.Vue.js的目标是通过尽可能简单的API实现响应式数据绑定和组合的视图组件.vue.js上手非常简单,先看看几个例子: 例一: ...

  9. vue-过渡动画

    本篇资料参考于官方文档: http://cn.vuejs.org/guide/transitions.html 概述: Vue 在跳转页面时,提供多种不同方式的动画过渡效果. ●in-out:新元素先 ...

  10. Mysql加密解密随机函数

    MD5(str) md5加密 SELECT MD5('hello') 5d41402abc4b2a76b9719d911017c592 sha(str) sha加密 SELECT SHA('hello ...