HashMap源码剖析及实现原理分析(学习笔记)
一、需求
最近开发中,总是需要使用HashMap,而为了更好的开发以及理解HashMap;因此特定重新去看HashMap的源码并写下学习笔记,以便以后查阅。
二、HashMap的学习理解
1、我们首先需要知道HashMap为什么会存在?
HashMap是从Java1.2引进的基于哈希表的Map接口的一个实现,以key-value的形式存在,从而可以通过key快速存取value值。
解释下哈希表(HashTable)——在说HahMap之前先说说Java中的数据结构,数组与链表的区别。
数组:数组的存储区间是连续的,占用内存比较大,从而导致空间复杂度比较大,时间复杂度比较小;特点是:寻址容易,但插入删除困难。
链表:链表的存储区间不连续,占的内存相对较小,空间复杂度也比较小,时间复杂度比较大;特点是:寻址困难,插入删除容易。
而哈希表(HashTable)是数组与链表二者特点的综合,既满足了数据的查找方便,同时不占用太多的内容空间,使用也十分方便。
HashMap其实也是一个线性的数组实现的,所以可以理解为其存储数据的容器就是一个线性数组。
2、HashMap的定义
HashMap实现了Map接口,继承AbstractMap。其中Map接口定义了键映射到值的规则,而AbstractMap类提供 Map 接口的具体实现,以最大限度地减少实现此接口所需的工作。
public class HashMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
基于哈希表的 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。(除了非同步和允许使用 null 之外,HashMap 类与 Hashtable 大致相同。)此类不保证映射的顺序,特别是它不保证该顺序恒久不变。
3、HashMap的构造方法摘要
HashMap的四个构造函数:
HashMap():构造一个具有默认初始容量(16)和加载因子(0.75)的空HashMap。
HashMap(int initialCapacity) :构造一个带指定初始容量和默认加载因子(0.75)的空HashMap。
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor):构造一个带指定初始容量和加载因子的空HashMap。
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m) :构造一个映射关系与指定Map相同的新HashMap。
HashMap 的实例有两个参数影响其性能:初始容量 和加载因子。容量 是哈希表中桶的数量,初始容量只是哈希表在创建时的容量。加载因子 是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。当哈希表中的条目数超出了加载因子与当前容量的乘积时,则要对该哈希表进行 rehash 操作(即重建内部数据结构),从而哈希表将具有大约两倍的桶数。
通常,默认加载因子 (0.75) 在时间和空间成本上寻求一种折衷。加载因子过高虽然减少了空间开销,但同时也增加了查询成本(在大多数 HashMap 类的操作中,包括 get 和 put 操作,都反映了这一点)。在设置初始容量时应该考虑到映射中所需的条目数及其加载因子,以便最大限度地减少 rehash 操作次数。如果初始容量大于最大条目数除以加载因子,则不会发生 rehash 操作。因此一般情况下无需修改。
如果很多映射关系要存储在 HashMap 实例中,则相对于按需执行自动的 rehash 操作以增大表的容量来说,使用足够大的初始容量创建它将使得映射关系能更有效地存储。
HashMap构造方法的源码如下图:
从源码中可以看出,每次新建一个HashMap时,都会初始化一个table数组。table数组的元素为Entry节点。
4、HashMap的数据结构
从上图看出,HashMap的底层实现还是数组,只是数组的每一项都是一条链。其中参数initialCapacity就代表了该数组的长度。
HashMap为什么能随机存取?这里用了一个小算法:
// 存储时:
int hash = key.hashCode(); // 每个key的hash是一个固定的int值
int index = hash % Entry[].length;
Entry[index] = value; // 取值时:
int hash = key.hashCode();
int index = hash % Entry[].length;
return Entry[index];
5、HashMap存取实现put(key,values)
通过源码我们可以清晰看到HashMap保存数据的过程为:首先判断key是否为null,若为null,则直接调用putForNullKey方法。若不为空则先计算key的hash值,然后根据hash值搜索在table数组中的索引位置,如果table数组在该位置处有元素,则通过比较是否存在相同的key,若存在则覆盖原来key的value(这样就保证了HashMap中没有两个相同的key),否则将该元素保存在链头(最先保存的元素放在链尾)。若table在该处没有元素,则直接保存。
首先,我们先看看当key为null时的putForNullKey方法源码:
null key总是存放在Entry[]数组的第一个元素。
其次,我们再看到HashMap的核心之一:hash方法,该方法为一个纯粹的数学计算,就是计算h的hash值。
我们知道对于HashMap的table而言,数据分布需要均匀(最好每项都只有一个元素,这样就可以直接找到),不能太紧也不能太松,太紧会导致查询速度慢,太松则浪费空间。计算hash值后,怎么才能保证table元素分布均与呢?我们会想到取模,但是由于取模的消耗较大,HashMap是这样处理的:调用indexFor方法。
再来看看HashMap的核心之二:indexFor方法
HashMap存取时,都需要计算当前key应该对应Entry[]数组哪个元素,即计算数组下标;算法如下:
HashMap的底层数组长度总是2的n次方。当length为2的n次方时,h&(length - 1)就相当于对length取模,这意味着数组下标相同,并不表示hashCode相同。而且速度比直接取模快得多。
最后,再看看addEntry方法,addEntry(hash, key, value, i);
这个方法中有两点需要注意:
- 链的产生。系统总是将新的Entry对象添加到bucketIndex处。如果bucketIndex处已经有了对象,那么新添加的Entry对象将指向原有的Entry对象,形成一条Entry链,但是若bucketIndex处没有Entry对象,也就是e==null,那么新添加的Entry对象指向null,也就不会产生Entry链了。
- 扩容问题。
随着HashMap中元素的数量越来越多,发生碰撞的概率就越来越大,所产生的链表长度就会越来越长,这样势必会影响HashMap的速度,为了保证HashMap的效率,系统必须要在某个临界点进行扩容处理。该临界点在当HashMap中元素的数量等于table数组长度*加载因子。但是扩容是一个非常耗时的过程,因为它需要重新计算这些数据在新table数组中的位置并进行复制处理。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。
6、HashMap存取实现get(key,values)
HashMap在存储过程中并没有将key,value分开来存储,而是作为一个Entry对象。在存储的过程中,系统根据key的hashcode来决定Entry在table数组中的存储位置,在取的过程中同样根据key的hashcode取出相对应的Entry对象。
7、再散列rehash过程
当哈希表的容量超过默认容量时,则会调整table的大小。当容量已经达到最大可能值时,那么该方法就将容量调整到Integer.MAX_VALUE返回,这时,需要创建一张新表,将原表的映射到新表中。
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本文在撰写中参考过以下两位博主的文章:
http://blog.csdn.net/vking_wang/article/details/14166593
http://www.cnblogs.com/chenssy/p/3521565.html
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