Java中map集合系列原理剖析

看了下JAVA里面有HashMap、Hashtable、HashSet三种hash集合的实现源码，这里总结下，理解错误的地方还望指正

HashMap和Hashtable的区别

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap的简化实现MyHashMap

HashMap和Hashtable的区别

1. 两者最主要的区别在于Hashtable是线程安全，而HashMap则非线程安全
   Hashtable的实现方法里面都添加了synchronized关键字来确保线程同步，因此相对而言HashMap性能会高一些，我们平时使用时若无特殊需求建议使用HashMap，在多线程环境下若使用HashMap需要使用Collections.synchronizedMap()方法来获取一个线程安全的集合（Collections.synchronizedMap()实现原理是Collections定义了一个SynchronizedMap的内部类，这个类实现了Map接口，在调用方法时使用synchronized来保证线程同步,当然了实际上操作的还是我们传入的HashMap实例，简单的说就是Collections.synchronizedMap()方法帮我们在操作HashMap时自动添加了synchronized来实现线程同步，类似的其它Collections.synchronizedXX方法也是类似原理）
2. HashMap可以使用null作为key，而Hashtable则不允许null作为key
   虽说HashMap支持null值作为key，不过建议还是尽量避免这样使用，因为一旦不小心使用了，若因此引发一些问题，排查起来很是费事
   HashMap以null作为key时，总是存储在table数组的第一个节点上
3. HashMap是对Map接口的实现，HashTable实现了Map接口和Dictionary抽象类
4. HashMap的初始容量为16，Hashtable初始容量为11，两者的填充因子默认都是0.75
   HashMap扩容时是当前容量翻倍即:capacity*2，Hashtable扩容时是容量翻倍+1即:capacity*2+1
5. 两者计算hash的方法不同
   Hashtable计算hash是直接使用key的hashcode对table数组的长度直接进行取模

   int hash = key.hashCode();
   int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;

   HashMap计算hash对key的hashcode进行了二次hash，以获得更好的散列值，然后对table数组长度取摸

   

   static int hash(int h) {
           // This function ensures that hashCodes that differ only by
           // constant multiples at each bit position have a bounded
           // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
           h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
           return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
       }
   
    static int indexFor(int h, int length) {
           return h & (length-1);
       }

   
6. HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

除开HashMap和Hashtable外，还有一个hash集合HashSet，有所区别的是HashSet不是key value结构，仅仅是存储不重复的元素，相当于简化版的HashMap，只是包含HashMap中的key而已

通过查看源码也证实了这一点，HashSet内部就是使用HashMap实现，只不过HashSet里面的HashMap所有的value都是同一个Object而已，因此HashSet也是非线程安全的，至于HashSet和Hashtable的区别，HashSet就是个简化的HashMap的，所以你懂的
下面是HashSet几个主要方法的实现

  private transient HashMap<E,Object> map;
  private static final Object PRESENT = new Object();

  public HashSet() {
    map = new HashMap<E,Object>();
    }
 public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
 public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
    }

 public void clear() {
    map.clear();
    }

HashMap和Hashtable的实现原理

HashMap和Hashtable的底层实现都是数组+链表结构实现的，这点上完全一致

添加、删除、获取元素时都是先计算hash，根据hash和table.length计算index也就是table数组的下标，然后进行相应操作，下面以HashMap为例说明下它的简单实现

  /**
     * HashMap的默认初始容量 必须为2的n次幂
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * HashMap的最大容量，可以认为是int的最大值
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * 默认的加载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * HashMap用来存储数据的数组
     */
    transient Entry[] table;

• HashMap的创建
  HashMap默认初始化时会创建一个默认容量为16的Entry数组，默认加载因子为0.75，同时设置临界值为16*0.75
  

      /**
       * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
       * (16) and the default load factor (0.75).
       */
      public HashMap() {
          this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
          threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
          table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
          init();
      }

  
• put方法
  HashMap会对null值key进行特殊处理，总是放到table[0]位置
  put过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值，然后将key放到table[index]位置，当table[index]已存在其它元素时，会在table[index]位置形成一个链表，将新添加的元素放在table[index]，原来的元素通过Entry的next进行链接，这样以链表形式解决hash冲突问题，当元素数量达到临界值(capactiy*factor)时，则进行扩容，是table数组长度变为table.length*2
• 

   public V put(K key, V value) {
          if (key == null)
              return putForNullKey(value); //处理null值
          int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
          int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
      //遍历table[i]位置的链表，查找相同的key，若找到则使用新的value替换掉原来的oldValue并返回oldValue
          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;
              }
          }
      //若没有在table[i]位置找到相同的key，则添加key到table[i]位置，新的元素总是在table[i]位置的第一个元素，原来的元素后移
          modCount++;
          addEntry(hash, key, value, i);
          return null;
      }
  
      void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
      //添加key到table[bucketIndex]位置，新的元素总是在table[bucketIndex]的第一个元素，原来的元素后移
      Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
          table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
      //判断元素个数是否达到了临界值，若已达到临界值则扩容，table长度翻倍
          if (size++ >= threshold)
              resize(2 * table.length);
      }

  
• get方法
  同样当key为null时会进行特殊处理，在table[0]的链表上查找key为null的元素
  get的过程是先计算hash然后通过hash与table.length取摸计算index值，然后遍历table[index]上的链表，直到找到key，然后返回
  

  public V get(Object key) {
          if (key == null)
              return getForNullKey();//处理null值
          int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
      //在table[index]遍历查找key，若找到则返回value，找不到返回null
          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.equals(k)))
                  return e.value;
          }
          return null;
      }

  
• remove方法
  remove方法和put get类似，计算hash，计算index，然后遍历查找，将找到的元素从table[index]链表移除
  

      public V remove(Object key) {
          Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
          return (e == null ? null : e.value);
      }
      final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
          int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
          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;
      }

  
• resize方法
  resize方法在hashmap中并没有公开，这个方法实现了非常重要的hashmap扩容，具体过程为：先创建一个容量为table.length*2的新table，修改临界值，然后把table里面元素计算hash值并使用hash与table.length*2重新计算index放入到新的table里面
  这里需要注意下是用每个元素的hash全部重新计算index，而不是简单的把原table对应index位置元素简单的移动到新table对应位置
  

  void resize(int newCapacity) {
          Entry[] oldTable = table;
          int oldCapacity = oldTable.length;
          if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
              threshold = Integer.MAX_VALUE;
              return;
          }
  
          Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
          transfer(newTable);
          table = newTable;
          threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
      }
  
      void transfer(Entry[] newTable) {
          Entry[] src = table;
          int newCapacity = newTable.length;
          for (int j = 0; j < src.length; j++) {
              Entry<K,V> e = src[j];
              if (e != null) {
                  src[j] = null;
                  do {
                      Entry<K,V> next = e.next;
                      //重新对每个元素计算index
                      int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                      e.next = newTable[i];
                      newTable[i] = e;
                      e = next;
                  } while (e != null);
              }
          }
      }

  
• clear()方法
  clear方法非常简单，就是遍历table然后把每个位置置为null，同时修改元素个数为0
  需要注意的是clear方法只会清楚里面的元素，并不会重置capactiy
  

   public void clear() {
          modCount++;
          Entry[] tab = table;
          for (int i = 0; i < tab.length; i++)
              tab[i] = null;
          size = 0;
      }

  
• containsKey和containsValue
  containsKey方法是先计算hash然后使用hash和table.length取摸得到index值，遍历table[index]元素查找是否包含key相同的值
  

  public boolean containsKey(Object key) {
          return getEntry(key) != null;
      }
  final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
          int hash = (key == null) ? 0 : hash(key.hashCode());
          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;
      }

  

  containsValue方法就比较粗暴了，就是直接遍历所有元素直到找到value，由此可见HashMap的containsValue方法本质上和普通数组和list的contains方法没什么区别，你别指望它会像containsKey那么高效

  

  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;
      }

  
• hash和indexFor

  indexFor中的h & (length-1)就相当于h%length，用于计算index也就是在table数组中的下标
  hash方法是对hashcode进行二次散列，以获得更好的散列值
  为了更好理解这里我们可以把这两个方法简化为 int index= key.hashCode()/table.length,以put中的方法为例可以这样替换

  int hash = hash(key.hashCode());//计算hash
  int i = indexFor(hash, table.length);//计算在数组中的存储位置
  //上面这两行可以这样简化
  int i = key.key.hashCode()%table.length;

• 

    static int hash(int h) {
          // This function ensures that hashCodes that differ only by
          // constant multiples at each bit position have a bounded
          // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
          h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
          return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
      }
  
      static int indexFor(int h, int length) {
          return h & (length-1);
      }

  

HashMap的简化实现MyHashMap

为了加深理解，我个人实现了一个简化版本的HashMap，注意哦，仅仅是简化版的功能并不完善，仅供参考

package cn.lzrabbit.structure;

/**
 * Created by rabbit on 14-5-4.
 */
public class MyHashMap {

    //默认初始化大小 16
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    //默认负载因子 0.75
    private static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //临界值
    private int threshold;

    //元素个数
    private int size;

    //扩容次数
    private int resize;

    private HashEntry[] table;

    public MyHashMap() {
        table = new HashEntry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
        threshold = (int) (DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        size = 0;
    }

    private int index(Object key) {
        //根据key的hashcode和table长度取模计算key在table中的位置
        return key.hashCode() % table.length;
    }

    public void put(Object key, Object value) {
        //key为null时需要特殊处理，为简化实现忽略null值
        if (key == null) return;
        int index = index(key);

        //遍历index位置的entry，若找到重复key则更新对应entry的值，然后返回
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                entry.setValue(value);
                return;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        //若index位置没有entry或者未找到重复的key，则将新key添加到table的index位置
        add(index, key, value);
    }

    private void add(int index, Object key, Object value) {
        //将新的entry放到table的index位置第一个，若原来有值则以链表形式存放
        HashEntry entry = new HashEntry(key, value, table[index]);
        table[index] = entry;
        //判断size是否达到临界值，若已达到则进行扩容，将table的capacicy翻倍
        if (size++ >= threshold) {
            resize(table.length * 2);
        }
    }

    private void resize(int capacity) {
        if (capacity <= table.length) return;

        HashEntry[] newTable = new HashEntry[capacity];
        //遍历原table，将每个entry都重新计算hash放入newTable中
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            HashEntry old = table[i];
            while (old != null) {
                HashEntry next = old.getNext();
                int index = index(old.getKey());
                old.setNext(newTable[index]);
                newTable[index] = old;
                old = next;
            }
        }
        //用newTable替table
        table = newTable;
        //修改临界值
        threshold = (int) (table.length * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        resize++;
    }

    public Object get(Object key) {
        //这里简化处理，忽略null值
        if (key == null) return null;
        HashEntry entry = getEntry(key);
        return entry == null ? null : entry.getValue();
    }

    public HashEntry getEntry(Object key) {
        HashEntry entry = table[index(key)];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                return entry;
            }
            entry = entry.getNext();
        }
        return null;
    }

    public void remove(Object key) {
        if (key == null) return;
        int index = index(key);
        HashEntry pre = null;
        HashEntry entry = table[index];
        while (entry != null) {
            if (entry.getKey().hashCode() == key.hashCode() && (entry.getKey() == key || entry.getKey().equals(key))) {
                if (pre == null) table[index] = entry.getNext();
                else pre.setNext(entry.getNext());
                //如果成功找到并删除，修改size
                size--;
                return;
            }
            pre = entry;
            entry = entry.getNext();
        }
    }

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

    public int size() {
        return this.size;
    }

    public void clear() {
        for (int i = 0; i < table.length; i++) {
            table[i] = null;
        }
        this.size = 0;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(String.format("size:%s capacity:%s resize:%s\n\n", size, table.length, resize));
        for (HashEntry entry : table) {
            while (entry != null) {
                sb.append(entry.getKey() + ":" + entry.getValue() + "\n");
                entry = entry.getNext();
            }
        }
        return sb.toString();
    }
}

class HashEntry {
    private final Object key;
    private Object value;
    private HashEntry next;

    public HashEntry(Object key, Object value, HashEntry next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    public Object getKey() {
        return key;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(Object value) {
        this.value = value;
    }

    public HashEntry getNext() {
        return next;
    }

    public void setNext(HashEntry next) {
        this.next = next;
    }
}

MyHashMap